close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

28132 12ccc3dec82472b0845b1804c7c8f277

код для вставкиСкачать
Т. Л. Партыка, И. И. Попов
ПЕРИФЕРИЙНЫЕ УСТРОЙСТВА
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ
ТЕХНИКИ
2-е издание, исправленное и дополненное
Допущено Министерством образования и науки
Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов
образовательных учреждений среднего
профессионального образования
У Д К 004.3(075.32)
Б Б К 32.973-02я723
П18
Ре ц е н з е н ты;
кандидат экономических наук, доцент,
декан факультета Информатики Московской финансово-промышленной
академии Д. В. Денисов;
доктор экономических наук,
профессор кафедры вычислительной техники Нижегородского
коммерческого института С. П. Салмцн
П18
Партыка Т. JI., Попов И. И.
П ер и ф ер и й н ы е устройства вы чи слительной техн и ки : учеб.
п особие / Т. Л. П арты ка, И. И. П опов. — 2-е изд., испр. и
доп. — М. : Ф О Р У М , 2009. — 432 с. : ил. — (П р о ф есси о н ал ьн о е
о бразован и е).
ISBN 978-5-91134-362-0
Приведены принципы построения и действия, классификация, характе­
ристики, функции и структура периферийных устройств ЭВМ. Рассмотре­
ны устройства хранения информации (магнитные ленты, диски, оптиче­
ские накопители — CD/DVD, магнитооптические, твердотельные и другие
альтернативные технологии); устройства ввода-вывода массивов информа­
ции (принтеры, сканеры и фотокамеры, графопостроители, графические
планшеты); интерактивные устройства (терминалы с мониторами на ЭЛТ и
плоскопанельными, манипуляторы, сенсорные экраны); мультимедийные
системы (цифровое фото, видео, звук, мультимедийные проекторы), а так­
же интерфейсы (внутренние и внешние).
Для учащихся и студентов, специализирующихся в области вычисли­
тельных устройств, машин и обшей информатики.
УДК 004.3(075.32)
ББК 32.973-02я723
ISBN 978-5-91134-362-0
© Т. JI. Партыка, И И. Попов, 2007
© Издательство «ФОРУМ», 2007
Введение
Электронные вычислительные машины (ЭВМ) и системы за
последние полвека преобразили цивилизацию, вовлекая челове­
чество в процесс и н ф о р м а т и з а ц и и , который охватывает все
сферы, все отрасли общественной жизни, прочно входит в жизнь
каждого человека, воздействует на его образ жизни, мышление и
поведение1. Высокий уровень знаний и практических примене­
ний информации и а в т о м а т и з и р о в а н н ы х и н ф о р м а ­
ц и о н н ы х т е х н о л о г и й (АИТ) в различных предметных об­
ластях и сферах деятельности стимулировал формирование кон­
цепции перехода промышленно-развитых государств в новую
форму существования — и н ф о р м а ц и о н н о е о б щ е с т в о ,
в котором решающую роль играет приобретение, хранение, рас­
пространение и использование знаний с широким использовани­
ем достижений научно-технического прогресса, позволяющего
постоянно совершенствовать государственные, научные, общест­
венные и персональные структуры, системы и т. п.
Все большее число стран объявляют генеральной линией
своего развития построение информационного общества. XXI в.
объявлен веком информатизации. В России, как и в ряде других
стран, имеется «Концепция формирования информационного
общества». В ней определено, что в нашей стране в первой чет­
верти XXI в. должны быть созданы основные черты и признаки
информационного общества. При этом отмечается, что у России
1
Уже в 1980-е гг. тем п ы развития вы числительн ой техники п р ев ы ­
ш али все привы чн ы е м асш табы . В газете W ashington Post того врем ен и
писали: «В 1953 г. ЭВ М с пам ятью 64 К байт стои ла 1 млн д олл., сей час
он а сто и т м енее I ты с. долл. Если бы автом обили разви вали сь в течен и е
последн и х 20 лет тем и же тем пам и, как ком пью теры , то сегодня
Р о лл с-Р о й с стоил бы 3,0 д ол л ., проходил м иллион м иль на галлоне б е н ­
зи н а, развивал м о щ н о сть л ай н ер а Q ueen E lisabeth, и два автом оби ля п о ­
м еш ал и сь бы на к он чике пера».
4
Введение
свои предпосылки перехода и свой специфичный путь, ибо она
обладает великим культурным наследием и многонациональной
самобытной культурой, располагает одной из лучших систем об­
разования.
ЭВМ являются важнейшим из ф а к т о р о в и н ф о р м а т и ­
з а ц и и , которые включают в себя:
• технический фактор (hardware, аппаратура, электроника);
• программный фактор (software, программные средства и
системы);
• информационный фактор — собственно информация, т. е.
сигналы, сообщения, массивы данных, файлы и базы дан­
ных (БД);
• интеллектуальные усилия и человеческий труд (человече­
ский, гуманитарный фактор). Всегда присутствует человекпользователь, решающий задачи какой-либо предметной об­
ласти с использованием инструментария информатики.
Перечисленные составляющие подобны классическим эко­
номическим ф а к т о р а м п р о и з в о д с т в а (труд, капитал, зем­
ля), так как они:
• взаимозаменяемы (одна и та же производительность может
быть достигнута при различных сочетаниях факторов —
математически это описывается кривой безразличия)',
• эффективность производства при увеличении одного из
факторов, но при фиксированном вкладе остальных, уве­
личивается, но все медленнее и медленнее (математиче­
ски — закон убывающей производительности), что требует
гармоничного развития всех составляющих, и не последняя
роль здесь отводится человеческому фактору. В частности,
пользователь должен соответствовать уровню информаци­
онных технологий (ИТ).
Перечисленные факторы соответствуют также историческим
этапам развития информатизации. Можно выделить следующие
фазы, на каждой из которых доминирует какой-либо из упомя­
нутых факторов:
• технический период, в течение которого сложились основ­
ные представления о структуре универсальных ЭВМ, опре­
делилась архитектура и типы устройств — приблизительно
с 1946 по 1964 г.;
• программный период — выработалась современная класси­
фикация программных средств, их структур и взаимосвя­
зей, сложились языки программирования, разработаны
Введение
5
компиляторы и принципы процедурной обработки — с
1954 по 1970 г.;
• информационный период — в центре внимания исследовате­
лей и разработчиков оказываются структуры данных, язы ­
ки описания (ЯОД) и манипулирования (ЯМД) данными,
• непроцедурные подходы к построению систем обработки
информации — с 1970 г. по настоящее время;
• гуманитарный период связан с резким возрастанием круга
пользователей АИТ и повышением роли интерфейсных
и навигационных возможностей соответствующих систем
(с начзла 90-х гг. прошлого века). Кроме того, основные
черты новых информационных технологий связаны с уси­
лением персонального характера использования компьюте­
ров и расширением возможностей пользователей. Традици­
онные АИТ были подчинены производителю информации
и доводили одинаковое содержание до всех адресатов. Но­
вые АИТ направлены на индивидуального пользователя,
предоставляя возможность получения информации, нуж­
ной именно ему.
Конечно, данная периодизация условна, и говорить об окон­
чании технического периода или исчерпании пределов развития
не приходится. Именно технические средства ЭВМ развиваются
наиболее высокими темпами, увлекая за собой остальные факто­
ры информатизации.
Традиционные ЭВМ фон неймановской архитектуры, со­
ставляющие подавляющее большинство и сегодня, когда ежегод­
но в мире выпускается более 250 млн микропроцессоров, струк­
турно состоят из двух групп функциональных устройств:
• центральное устройство (ЦУ), включающее процессор (ЦП,
CPU) и оперативную память (ОП или ОЗУ, main storage,
random access memory, RAM)
• внешние устройства (ВУ, или периферийные устройства,
периферия, peripheral devices, peripherals) обеспечивают не­
прерывное и эффективное взаимодействие процессора и
ЭВМ в целом с окружающей средой — пользователями,
объектами управления, другими системами. В список пери­
ферийных устройства входит большое количество аппарату­
ры, предназначенной для ввода информации в ЭВМ, пере­
сылки данных, их хранения. Характерной особенностью
внешних устройств является их независимость от ЦП. Они
имеют собственное управление и функционируют по ко­
6
Введение
мандам последнего. Немало внешних устройств имеют пря­
мой доступ к оперативной памяти компьютера.
В с п е ц и а л и з и р о в а н н ы х управляющих ЭВМ
(технологические процессы, связь, ракеты и пр.) внешними уст­
ройствами ввода являются датчики, сенсоры (температуры, дав­
ления, скорости, расстояния и пр.), устройствами вывода — ма­
нипуляторы, эффекторы (гидро-, пневмо-, сервоприводы рулей,
вентилей и др.). В у н и в е р с а л ь н ы х Э В М (человеко-машин­
ная обработка информации) в качестве ВУ выступают термина­
лы, принтеры и др. устройства.
Если ЦУ, а особенно ЦП, — «мозг* компьютера, то перифе­
рийные устройства — его «глаза и уши», а главное — «руки», по­
добно тому, как для человека «рука — учитель и слуга мозга»1.
Гуманитарно-информационный период развития информатиза­
ции, в котором мы сейчас живем, делает роль периферийных
устройств неизбежно важнейшей.
Вероятно, человечеству еще далеко до таких сюжетов, час­
тенько появляющихся в романах-«ужастиках», как то:
«Он сидел в рабочем вращ ающ емся кресле на колесиках перед компью ­
тером и был соединен с ним посредством двух кабелей в дюйм толщ иной.
Эти кабели, казалось, состояли из какого-то органического материала и све­
тились как живые в янтарном свете экрана.
О ни тянулись от компьютерного блока, с которого была снята передняя
панель, прям о в грудную клетку мужчины, под его ребра, они сливались с
кожей. О ни пульсировали.
Руки ниже локтя, казалось, были полностью лиш ены плоти и кожи, от
них остались только сверкаю щ ие золотом кости. Эти кости торчали из л о к ­
тевого сустава подобно рычагам механического робота. Клеммы на концах
костей плотно удерживали кабели»2.
Возблагодарим же Бога за то, что Он надоумил людей создать
Периферийные Устройства ЭВМ, которые не только с о е д и н я ­
ют человека и компьютер, н о и р а з д е л я ю т их!
Настоящее учебное пособие посвящается данной проблема­
тике.
В первой главе представлены общие вопросы представления
информации и ее обработки в ЭВМ, в том числе — кодирование
1 У э м с Г. Д ж . Война м иров. И збран н ы е н ау ч н о -ф ан тасти ческ и е
п р о и зве д е н и я в трех том ах. Т ом II. М.: И зд-во Ц К ВЛ КСМ «М олодая
гвардия», 1956.
2 К у н ц Д . П олн очь. Р ом ан. М .: Н овости, 1993.
Введение
7
символьных, числовых, мультимедийных данных, типы и струк­
туры данных, разновидности файлов и файловые системы, прин­
ципы передачи данных, основные классы и принципы построе­
ния периферийных устройств, а также программное обеспечение
их функционирования.
Во второй главе речь идет об основных представлениях архи­
тектурных и структурных компонентов вычислительных машин,
роли и месте внешних устройств. Рассмотрены базовые пред­
ставления об архитектуре ЭВМ, организации интерфейсов. Зна­
чительное внимание уделяется интерфейсам ПК, в том числе
внутренним интерфейсам (ISA, EISA, LPC, PCI, PCI-X, PCI
Express, AGP, ГиперТранспорт), интерфейсам периферийных
устройств (АТА, SCSI), внешним интерфейсам (последователь­
ный порт, параллельный порт, MIDI, FireWire, USB, последова­
тельный SCSI, eSATA, беспроводные — IrDA, Bluetooth).
Третья глава посвящается важному тип внешних устройств —
накопителям массивов информации (внешние ЗУ). Сюда вхо­
дят — магнитные ленты, магнитные диски, сменные носители
(НГМД, ZIP-накопители, супердискеты, сменные НЖМД, C D и
др.). Значительное внимание уделяется такой перспективной тех­
нологии накопления информации, как DVD, во всем разнообра­
зии их стандартов (DVD ROM, DVD RAM, DVD-R, DVD-RW,
DVD+RW и пр.). Рассматриваются также альтернативные и пер­
спективные носители (флэш, микродиски, накопители на CD и
DVD повышенной вместимости и т. д.).
В главе четыре описываются устройства массового ввода-вы­
вода текстовой и графической информации — принтеры, скане­
ры, плоттеры и дигитайзеры. Рассматриваются принципы дейст­
вия, конструкции, конкретные образцы изделий.
Пятая глава посвящена рассмотрению интерактивных (вводвывод данных и управление ПК) и мультимедийных устройств, к
которым относятся терминалы, клавиатуры, мониторы на основе
ЭЛТ, плоскопанельные мониторы (жидкокристаллические, плаз­
менные, и пр.), сенсорные мониторы и манипуляторы (мышь,
трекбол). Описываются характеристики и конструкции интер­
фейсов мониторов — как аналоговые, так и цифровые. Значи­
тельное внимание уделяется вопросам обработки и представле­
ния мультимедийной информации, в том числе цифровое фото,
цифровое видео, сжатие видеоинформации, видеокарты и их раз­
новидности, обработка и передача аудиоинформации. Кроме
8
Введение
того, рассмотрены принципы и конструкции проекторов мульти­
медиа.
Настоящее учебное пособие базируется на материалах, нако­
пленных авторами в процессе практической, исследовательской,
а также преподавательской (М ИФИ, М ИСИ, РГГУ, РЭА
им. Г. В. Плеханова, МФПА) деятельности. Авторы выражают
благодарность рецензентам, а также коллегам, принявшим
участие в обсуждении материала: А. Г. Романенко (РГГУ),
К. И. Курбакову (РЭА им. Г. В. Плеханова), а также студентам
РГГУ, МФПА, РЭА им. Г. В. Плеханова за предоставленные ил­
люстративные материалы.
Глава 1
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ
И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ВНЕШНИХ
УСТРОЙСТВ ЭВМ
1.1. Информация, кодирование и обработка в ЭВМ
Понятие «информация» является таким же фундаменталь­
ным, как понятия «материя», «энергия» и другие философские
категории. Это атрибут, свойство сложных систем, связанное с
их развитием и самоорганизацией [24, 25). Известно большое
количество различных определений информации, отличий ин­
формации от данных, знаний и пр. Мы ограничиваемся только
рассмотрением некоторых практически важных понятий и опре­
делений.
Измерение количества информации
Термин «информация» имеет корень «form» (форма), что ра­
зумно трактовать как «информирование — придание формы, вы­
вод из состояния неопределенности, бесформенности», поэтому
логично подходить к определению понятия «количество инфор­
мации» исходя из того, что информацию, содержащуюся в сооб­
щении, можно трактовать в смысле ее новизны или, иначе,
уменьшения неопределенности знаний «приемника информа­
ции» об объекте.
В качестве единицы информации Клод Шеннон предложил
принять б и т (от англ. bit — binary digit — двоичная иифра).
10
Глава 1. Основные принципы построения и функционирования..
В вычислительной технике битом называют наименьшую
«порцию» памяти компьютера, необходимую для хранения одно­
го из двух знаков «0» или «1», используемых для машинного
представления данных и команд.
Поскольку бит — слишком малая единица измерения, на
практике в основном применяется более крупная единица —
б а й т , равная восьми битам. В частности, восемь бит требуется
для того, чтобы закодировать любой из 256 символов распро­
страненного кода ASCII (256 = 28).
Используются также более крупные производные единицы
информации:
• килобайт (Кбайт, КВ) = 1024 байт = 210 байт;
• мегабайт (Мбайт, MB) = 1024 Кбайт = 220 байт « 106 байт;
• гигабайт (Гбайт, GB) = 1024 Мбайт = 2м байт » 10’ байт.
В последнее время в связи с увеличением объемов обрабаты­
ваемой информации входят в употребление такие производные
единицы, как:
• терабайт (Тбайт, ТВ) = 1024 Гбайт = 240 байт * 1012 байт;
• петабайт (Пбайт, РВ) = 1024 Тбайт = 250 байт * 10'5 байт;
• экзобайт = 10'8 байт и пр.
Это так называемые «десятичные» единицы. В качестве аль­
тернативы IEC предложила в 1998 г. «двоичные» единицы: KiB
(KibiByte) - 2'°= 1024 байт; MiB (MibiByte) = 1024 KiB; GiB
(GibiByte) = 1024 MiB (MibiByte) и т. д.
Для описания скорости передачи данных в качестве единицы
измерения используется бод. Для двоичных сигналов обычно
принимают, что 1 бод равен 1 биту в секунду, например 1200 бод =
= 1200 бит/с. Однако единого мнения о правильности использо­
вания этого термина нет, особенно при высоких скоростях, где
число бит в секунду не совпадает с числом бод.
Аналоговые и дискретные данные
Исторически первой технологической формой получения, пе­
редачи, хранения информации являлось аналоговое (непрерыв­
ное) представление звукового, оптического, электрического или
другого сигнала (сообщения). Магнитная аудио- и видеозапись,
фотографирование, запись на шеллачные или виниловые грам­
1.1. Информация, кодирование и обработка в ЭВМ
11
пластинки, проводное и радиовещание — основные способы хра­
нения и передачи информации в аналоговой форме (рис. 1.1). За­
метим, что с начала 1950-х гг. (а во многом и сейчас) под терми­
ном теория информации подразумевались теоретические методы,
связанные с обеспечением как можно более точного приема, пе­
редачи, записи, воспроизведения, преобразования именно непре­
рывных сигналов (основные понятия — линейность, нелиней­
ность, шум, спектр сигнала, полоса пропускания — bandwidth и пр.).
Рис. 1.1. Примеры кодирования аналоговых сигналов:
а — им пул ьсно- кодовая модуляция; 6 — адаптивная разностная
импульсно-кодовая модуляция
Более чем 50-летнее развитие теории и практики ЭВМ при­
водит к вытеснению (в том числе и на бытовом уровне) аналого­
вых устройств и сигналов цифровыми.
Аналого-цифровое (дискретное) преобразование — АЦП
(analog-to-digital conversion — ADC) заключается в формировании
последовательностей л-разрядных двоичных слов, представляю­
щих с заданной точностью аналоговые сигналы. Наиболее по­
пулярным примером, несомненно, является аудиокомпакт-диск
(digital audio CD).
В этом случае звуковой сигнал (см. рис. 1.1) преобразуется в
дискретную аппроксимацию («многоуровневый ступенчатый
сигнал»), при этом вначале происходит квантование во времени,
которое заключается в измерении в дискретные промежутки вре­
мени необходимого параметра аналогового сигнала (сэмплиро­
вание, sampling).
12
Глава 1. Основные принципы построения и функционирования..
После этого осуществляется квантование по амплитуде сиг­
нала. При этом происходит округление его мгновенных значе­
ний до некоторой заданной фиксированной величины, называе­
мой уровнем. Расстояние между соседними уровнями именуется
ш а г о м . Из-за этого округления квантование всегда связано с
определенным искажением сигнала. Уменьшение искажения
требует увеличения числа уровней квантования и уменьшения
шага квантования. Наименьшее изменение аналогового сигнала,
которое регистрируется устройством, осуществляющим преобра­
зование, называется разрешением.
В дальнейшем оцифрованный аналоговый сигнал может пе­
редаваться или записываться в различных форматах, например:
• PCM (Pulse Code Modulation — импульсно-кодовая модуля­
ция) — способ цифрового кодирования сигнала с помощью
записи абсолютных значений амплитуд A(t) (рис. 1.1, а).
Именно в таком виде данные записываются на аудио CD;
• ADPCM (Adaptive Delta PCM — адаптивная разностная им­
пульсно-кодовая модуляция) — запись значений сигнала
не в абсолютных значениях, а в разностях (ДЛ(?)) амплитуд
(рис. 1.1, б).
Аналого-цифровые преобразователи чаще всего изготавлива­
ются в виде интегральных схем. В необходимых случаях осуще­
ствляется обратное преобразование — дискретно-аналоговое или
цифро-аналоговое — ЦАП (digital-to-analog conversion — DAC).
Кодирование информации
Код (code) — совокупность знаков, символов и правил пред­
ставления информации. Рассмотрим вначале методы дискретно­
го представления информации, или кодирования (которые, надо
сказать, появились задолго до вычислительных машин). Первым
широко известным примером является Азбука Морзе (табл. 1.1),
в которой буквы латиницы (или кириллицы) и цифры кодиру­
ются сочетаниями из «точек» и «тире». Воспользуемся данным
кодом для иллюстрации основных понятий, связанных с коди­
рованием (не вдаваясь в теорию кодирования).
Кодирование символов. К о д и р у е м ы е ( о б о з н а ч а е м ы е )
элементы входного алфавита обычно называют с и м в о л а м и .
Символом (служит условным знаком какого-нибудь понятия,
явления) как правило, является цифра, буква, знак пунктуации
1.1. Информация, кодирование и обработка в ЭВМ
13
Таблица 1.1. Фрагменты кода Морзе
Символ входного алфавита
Коновая (знаковая)комбинация
А
В
С
D
Е
alia
bravo
Charlie
delta
echo
..
Y
yankee
zulu
one
—
Z
1
_____
Мнемоническое обозначение по МСС
9
-
nine
»
v -----
---- .
' Международный Свод Сигналов.
или иероглиф естественного языка, знак препинания, знак про­
бела, специальный знак, символ операции. Кроме этого, учиты­
ваются управляющие («непечатные») символы.
К о д и р у ю щ и е ( о б о з н а ч а ю щ и е ) элементы выходного
алфавита называются з н а к а м и ; количество различных знаков
в выходном алфавите назовем значностью (-арностью, -ичностью, например «бинарный» или «двоичный» код); количество
знаков в кодирующей последовательности для одного символа —
разрядностью кода.
Пространственно-временное
расположение
знаков кода приводит к понятиям параллельных или последова­
тельных кодов. При п о с л е д о в а т е л ь н о м к о д е каждый
временной такт предназначен для отображения одного разряда
слова. Здесь все разряды слова фиксируются по очереди одним и
тем же элементом и проходят через одну и ту же линию переда­
чи (например, радио- или оптические сигналы либо передача
данных по двум проводам, двухжильному кабелю).
При п а р а л л е л ь н о м к о д е все знаки символа представ­
ляются в одном временном такте, каждый знак проходит через
отдельную линию (например, по четырем проводам, четырех­
жильному кабелю), образуя символ (т. е. символ передается в
один прием, в один момент времени).
Для последовательного кода характерно в р е м е н н о е р а з ­
д е л е н и е каналов при передаче информации, для параллельно­
го — п р о с т р а н с т в е н н о е . В зависимости от применяемого
14
Глава 1. Основные принципы построения и функционирования...
кода различаются устройства параллельного и последовательного
действия.
Применительно к азбуке Морзе (AM):
• символами являются элементы языкового алфавита (буквы
A—Z или А—Я) и цифровой алфавит (цифры 0—9);
• знаками являются «точка» и «тире» (или «+» и «-» либо «1»
и «0», короче говоря — два любых разных знака);
• поскольку знаков два, AM является двузначным (бинарным,
двоичным) кодом, если бы их было 3, то мы имели бы дело
с троичным, тернарным, трехзначным кодом;
• поскольку число знаков в AM колеблется от 1 (буквы Е, Т)
до 5. (цифры), то имеет место код с переменной разрядно­
стью (в AM часто встречающиеся в тексте символы обо­
значены более короткими кодовыми комбинациями, неже­
ли редкие символы).
• поскольку знаки передаются последовательно (электриче­
ские импульсы, звуковые или оптические сигналы разной
длины, соответствующие «точкам» и «тире»), AM есть по­
следовательный код.
Первые опыты телеграфной и радиосвязи осуществлялись
именно посредством AM, причем приемное устройство записы­
вало импульсы переменной длины в виде «точек» и «тире» на
движущуюся телеграфную ленту, однако уже в начале XX в.
был осуществлен переход на 5-разрядный (5-битовый) теле­
графный код.
В табл. 1.2, 1.3 приведены характеристики наиболее извест­
ных кодов, некоторые из них использовались первоначально
для связи, кодирования данных, а затем для представления ин­
формации в ЭВМ.
Кодирование и обработка чисел. Кроме кодирования симво­
лов, в ЭВМ очевидную важность имеет к о д и р о в а н и е и
п р е д с т а в л е н и е чисел.
Наиболее естественный способ представления числа в ком­
пьютерной системе заключается в использовании строки би­
тов, называемой двоичным числом, — числом в двоичной сис­
теме счисления (символ также может быть представлен стро­
кой битов).
Кроме двоичной и десятичной в компьютерах могут исполь­
зоваться также двоично-десятичная и шестнадцатеричная систе­
мы счисления (табл. 1.4).
1.1. Информация, кодирование и обработка в ЭВМ
15
Таблица 1.2. Характеристики некоторых наиболее известных кодов
Наимено­
вание кода
Расшифровка/
перевод
Другие
названия
Разряд­
ность
Baudot
Кол Бодо
IA-1 —
international
alphabet № 1
5
В прошлом — европейский стандарт
для телеграфной связи
М2
МККП-2
CCITT-2
IA-2
5
Телеграфный код, предложенный Ме­
ждународным Комитетом по телефо­
нии и телеграфии (МККТТ) и заменив­
ший код Бодо
ASCII-7
American
Standard Code
for Information
Interchange
ISO-7
IA-5, USASCII,
ANSI X3.4
7
Код для передачи данных, поддержи­
вает 128 символов, включающих про­
писные и строчные символы латини­
цы, цифры, специальные значки и
управляющие символы. После добав­
ления некоторых национальных сим­
волов (10 бинарных комбинаций) был
принят Международной организацией
по стандартизации (ISO) как стандарт
ISO-7
ASCII-8
Тоже
8
Оля внутреннего и внешнего пред­
ставления данных в вычислительных
системах. Включает стандартную
часть (128 символов) и национальную
(128 символов). В зависимости от на­
циональной части, кодовые таблицы
различаются
Expanded Binary Coded Decimal
Information Code
8
Предложен фирмой IBM для машин
серий IBM/360-375 (внутреннее пред­
ставление данных в памяти), а затем
распространившийся и на системы
других производителей
Hollerith Код Холперита Код перфокарт
(ПК)
12
Предложен для ПК (1913 г.), затем ис­
пользовавшийся для кодирования ин­
формации перед вводом в ЭВМ с ПК
UNICODE
16
Поскольку в 16-разрядном UNICODE
можно закодировать 65 536 символов
вместо 128 в ASCII, то отпадает необ­
ходимость в создании модификаций
таблиц кодов. UNICODE охватывает
28 ООО букв, знаков, слогов, иерогли­
фов национальных языков мира
EBCDIC
UNIversal Code
Комментарий
16
Глава 1. Основные принципы построения и функционирования...
Таблица 1.3. Фрагменты некоторых кодовых таблиц (указаны 16-рнчные коды
символов)
Символ
IA-2
Бодо
IS0-7
А
03
10
и
EBCDIC
ASCII-B
Холлерит
Cl
А1
900
В
19
06
42
C2
А2
880
С
0Е
16
43
сз
A3
840
D
09
1Е
44
C4
А4
820
61
81
Е1
Ь
62
82
Е2
с
63
83
ЕЗ
а
64
84
Е4
. (точка)
1C
05
2Е
4B
4Е
842
09
2C
6В
4С
242
ЗВ
5Е
5B
40А
3F
6F
5F
206
d
, (запятая)
ос
: (двоеточие)
1Е
? (вопрос)
10
0D
Таблица 1.4. Перевод цифр из двоичной системы счисления в восьмеричную,
шестнадцатеричную и десятичную, и наоборот
Триада
Восьмеричная
цифра
Тетрада
Шестнадцатеричная
цифра
Десятичное
число
000
0
0000
0
0
0 0 0 0 -0 0 0 0
001
1
0001
1
1
0 0 0 0 -0 0 0 1
0010
2
2
0 0 0 0 -0 0 1 0
011
3
ООН
3
3
0 0 0 0 -0 0 1 1
100
4
0100
4
3
0 0 0 0 -0 1 0 0
1 01
5
0101
5
5
0 0 0 0 -0 1 0 1
110
6
0110
6
6
0 0 0 0 -0 1 1 0
1 11
7
0111
7
7
0 0 0 0 -0 1 1 1
1000
8
8
0 0 0 0 -1 0 0 0
1001
9
9
0 0 0 0 -1 0 0 1
1010*
А
10
0 0 0 1 -0 0 0 0
0 0 0 1 -0 0 0 1
010
Двоично-десятичная
запись
1011
В
11
1100
с
12
0 0 0 1 -0 0 1 0
1101
D
13
0 0 0 1 -0 0 1 1
1110
Е
14
0 0 0 1 -0 1 0 0
1111
F
15
0 0 0 1 -0 1 0 1
* Запрещ ены в двоично-десятичном представлении.
1.1. Информация, кодирование и обработка в ЭВМ
17
Шестнадцатеричная система счисления часто используется
при программировании. Перевод чисел из шестнадцатеричной
системы счисления в двоичную весьма прост — он выполняется
поразрядно.
Д л я изображения цифр, больших 9, в шестнадцатеричной
системе счисления применяются буквы А = 1 0 , в = 1 1 , С = 1 2 ,
D = 13, Е = 14, F = 15.
Например, шестнадцатеричное число F17B в двоичной сис­
теме выглядит так: l l l l O O O l O l l l l O l l , а в десятичной — 61819.
Двоично-десятичная система счисления получила большое
распространение в современных компьютерах ввиду легкости
перевода в десятичную систему и обратно. Она используется
там, где основное внимание уделяется не простоте технического
построения машины, а удобству работы пользователя. В двоич­
но-десятичной системе счисления основанием системы счисле­
ния является число 10, но каждая десятичная цифра (0, 1, ..., 9)
кодируется четырьмя двоичными цифрами.
Логические данные и операции над ними. Кроме символьных
и числовых, в деятельности компьютеров немаловажную роль
играют также логические данные и операции, связанные с а л ­
г е б р о й л о г и к и . Математические подходы к этим вопросам
впервые были разработаны Дж. Булем. В честь него алгебру
высказывания называют булевой ( б у л е в с к о й ) а л г е б р о й ,
а логические значения — б у л е в ы м и ( б у л е в с к и м и ) . Алгеб­
ра логики используется при построении основных узлов ЭВМ
(дешифратор, сумматор, шифратор), а также составляет основу
управления логикой программ для ЭВМ.
Избыточные коды и сжатие информации
При записи и передаче данных часто используются избыточ­
ные коды, т. е. такие, которые за счет усложнения структуры по­
зволяют повысить надежность передачи данных.
Коды с обнаружением ошибок. Распространенным методом
обнаружения ошибок является к о н т р о л ь п о ч е т н о с т и .
В этом случае при записи байта информации в запоминающее
устройство генерируется дополнительный контрольный бит, в
который записывается «0», если это число четное, и «1* если оно
нечетное. Если при чтении ранее записанного байта вновь полу2 - 1814
18
Глава 1. Основные принципы построения и функционирования..
чить контрольный бит и сравнить его с уже имеющимся, то
можно судить о достоверности получаемой информации.
Для обнаружения ошибок в блоках данных широко исполь­
зуется также код с циклическим контролем (CRC). С этой целью
вычисляется контрольная сумма содержимого блока данных пе­
ред его передачей, включается в одно из полей блока, а затем
повторно вычисляется после передачи. Несовпадение результа­
тов свидетельствует об ошибке в передаваемом содержимом.
Корректирующие коды. В ответственных приложениях, тре­
бующих повышенной надежности хранения информации, при­
меняются более серьезные, чем контроль четности, методы обес­
печения целостности данных. К ним относятся корректирующие
коды (ЕСС — Error Correction Code), позволяющие не только
обнаруживать ошибки, но и восстанавливать искаженную ин­
формацию за счет ее избыточности. Так, существуют модули па­
мяти со схемами ЕСС, в которых для хранения контрольной ин­
формации используется не один, а два бита, в которых хранится
остаток от деления числа на 4 (или деление п о м о д у л ю 4).
Благодаря этим данным схема ЕСС может обнаруживать и ис­
правлять одиночные искаженные биты, а также обнаруживать
(но не исправлять) кратные ошибки.
Модули оперативной памяти с ЕСС обычно стоят заметно
дороже и применяются в основном в серверах. В общем случае
принципы ЕСС применяются во всех современных дисковых и
ленточных накопителях. За счет информационной избыточно­
сти закодированных данных удается восстанавливать повреж­
денные блоки информации длиной в сотни байт. Наиболее ши­
роко применяются помехоустойчивые коды Рида-Соломона
(Reed-Solomon), а также код Хемминга, позволяющий исправ­
лять одиночные ошибки, появляющиеся в блоках данных.
Сжатие информации. Объем обрабатываемой и передаваемой
информации быстро растет. Это связано с выполнением все бо­
лее сложных прикладных процессов, появлением новых инфор­
мационных служб, использованием изображений и звука. Сжа­
тие данных (data compression) — процесс, обеспечивающий
уменьшение объема данных, позволяет резко уменьшить объем
памяти, необходимой для хранения данных, сократить (до при­
емлемых размеров) время их передачи. Сжатие данных может
осуществляться как программным, так и аппаратным или ком­
бинированным методом.
1.2. Типы и структуры данных. Файлы и файловые системы
19
Сжатие текстов связано с более компактным расположением
байтов, кодирующих символы. Определенные результаты дает
статистическое кодирование, в котором наиболее часто встре­
чающиеся символы получают коды наименьшей длины. Здесь
также используется счетчик повторений пробелов. Что же каса­
ется звука и изображений, то объем представляющей их инфор­
мации зависит от выбранного шага квантования и числа разря­
дов аналого-дискретного преобразования. В принципе, здесь ис­
пользуются те же методы сжатия, что и при обработке текстов.
Если сжатие текстов происходит без потери информации, то
сжатие звука и изображения почти всегда приводит к ее некото­
рой потере. Некоторые методы сжатия мультимедийных данных
вкратце будут рассмотрены далее.
1.2. Типы и структуры данных. Файлы и файловые системы
Типы и структуры данных
Символьные, числовые и логические данные (переменные)
представляют собой простейшие и основные т и п ы д а н н ы х ,
хранимых и обрабатываемых в ЭВМ.
Типы данных. Ранние языки программирования (ЯП), а точ­
нее, системы программирования (СП) — Фортран, Алгол, буду­
чи ориентированы исключительно на вычисления, не содержали
развитых систем типов и структур данных. В ЯП Алгол символь­
ные величины и переменные вообще не предусматривались, в
некоторых реализациях строки (символы в апострофах) могли
встречаться только в операторах печати данных (табл. 1.5).
Типы ч и с л о в ы х данных Алгола: i n t e g e r (целое число),
r e a l (действительное) — различались диапазонами изменения,
внутренними представлениями и применяемыми командами
процессора ЭВМ (соответственно арифметика с фиксированной
и плавающей точкой). Н е ч и с л о в ы е данные были представ­
лены типом BOOLEAN — логические, имеющие диапазон значе­
ний { tru e , fa ls e } .
Позже появившиеся ЯП (СП) COBOL, PL/1, Pascal вводят
новые типы данных:
• с и м в о л ь н ы е (цифры, буквы, знаки препинания и пр.);
• ч и с л о в ы е с и м в о л ь н ы е для вывода;
2*
Глава 1. Основные принципы построения и функционирования...
20
Таблица 1.5. Тилы и структуры данных ■ некоторых системах программирования и
управления данными
Данные
Целое короткое
(2 байта)
Целое нормальное
(4 байта)
PL/1
—
—
—
—
—
Smallint
Int
N<x)
N<X>
Int
Integer Computa­
tional
—
Double
—
—
—
Rea 1
Computa­
tional
Float
N(x.y)
N(x.y)
Float Real
Действительное
двойное (8 байт)
—
—
—
—
—
Float
Double
Двоичное
—
—
Binary
—
B(xl
—
Десятинное упакован­
ное (2 цифры на байт)
—
PIC (9)
Decimal
—
P(xl
—
Действительное
нормальное (4 байта)
Десятичное распако­
ванное (1 цифра на
байт)
PIC(X)
U(x)
Логическое
Boolean
—
♦
Logical
—
—
Символьное
—
PIC(A)
Char
C(x)
A (x)
Char
Memo
Длинный текстовый
или бинарный объект
(BLOB)
Дата
Время
Массивы
Структуры данных
FoxBase/ Adabas/ Oracle/SQL
Clipper Natural
Cobol
—
Целое длинное
(8 байт)
Тип данных
С и с т е м а — язык программирования, СУБД, ИПС
Algol
—
—
—
—
—
—
Array
—
Dim
Var-Grafic
VarChar
—
Date
—
—
Time
Dimen­
sion
VAR(n)
—
Date
Записи (структуры)
—
♦
■f
•f
♦
Множественные (век­
торные) поля записи
—
---
—
—
MU
—
Групповые поля
записи
—
♦
—
GR
—
Повторяющиеся груп­
пы в записи
—
—
—
PE
—
Текстовые поля (пара­
графы, предложения,
слова)
---
1.2. Типы и структуры данных. Файлы и файловые системы
21
• ч и с л о в ы е д в о и ч н ы е для вычислений;
• ч и с л о в ы е д е с я т и ч н ы е (цифры 0—9) для вывода и
вычислений.
Разновидности числовых данных здесь соответствуют внут­
реннему представлению и машинным (или эмулируемым) ко­
мандам обработки. Кроме того, вводятся числа двойного форма­
та (2 машинных слова), для обработки которых также необходи­
мо наличие в процессоре (или эмуляция) команд обработки
чисел двойной длины (точности).
Уместно привести пример представления числовой инфор­
мации в различных перечисленных формах. Пусть задано число
13510 = 207„ = 8716 = 100 ООО 1112 тогда:
• внутренняя стандартная форма представления (тип b i n a r y
для обработки в двоичной арифметике) сохраняется
(100 000 1112). Объем — 1 байт, или 8 двоичных разрядов;
• внутренняя форма двоично-десятичного представления
(тип d e c i m a l , каждый разряд десятичного числа представ­
ляется двоично-десятичной, в 4 бита, комбинацией). Пред­
ставление 135 есть 001 011 1012. Объем — 2,5 байта, 12 дво­
ичных разрядов;
• символьное представление (тип a l p h a b e t i c , д л я выво­
да) — каждый разряд представляется байтом в соответствии
с кодом ASCII (табл. приложения 2). Представление 135
есть - 00110001 00110011 001101012. Объем - 3 байта.
Появление систем управления базами данных и систем про­
граммирования для разработки ИС приводит к появлению ряда
других типов данных:
• да т а и время;
• б и н а р н ы е (BLOB — Binary Lai^ge Object) и т е к с т о в ы е
объекты без внутренней структуры (интерпретация возлага­
ется на прикладные программы).
Понятие типа данных ассоциируется также с допустимыми
значениями переменной и операциями над ними, например,
данные типа время (чч.-мм.-сс) или дата (гг/м м /д д ) предполага­
ют определенные диапазоны значений каждого из разрядов, а
также машинные или эмулируемые операции (сложение/вычита­
ние дат и/или моментов времени).
Структуры данных. В языке Алгол определены два типа
структур: э л е м е н т а р н ы е д а н н ы е и м а с с и в ы (векторы,
матрицы, тензоры, состоящие из арифметических или логиче­
ских переменных — рис. 1.2, а, б, в). Основным нововведением,
гг
Глава 1. Основные принципы построения и функционирования...
А |1 :М ) = {А[1], А(2].......А(1), ..., А(М]}
а
BI1. 1|
В[1 : М, 1: N | =
...
ВЦ, I)
В |М , 11 ...
B[l, JJ ...
B(l, N]
B[l, J]
B[I, N]
B(M ,J1 ...
В [М ,М )
в
Сотрудник
Телефон
Улица
г
СОТРИ : М] = (СОТРИ], СОТР[21...... CO TP|l].......COTPIM])
д
Рис. 1.2. Структуры данных;
о, б — одномерный массив (вектор); в — двумерный массив (матрица); г — за­
пись (структура, агрегат данных); д — массив в записи (множественное поле
записи)
появившимся первоначально в Коболе (затем ПЛ/1, Паскаль и
пр.), являются а г р е г а т ы д а н н ы х (структуры или записи),
представляющие собой именованные комплексы переменных
разного типа, описывающих некоторый объект или образующих
некоторый достаточно сложный документ (рис. 1.2, г).
Термин запись подразумевает наличие множества аналогич­
ных по структуре агрегатов, образующих файл (картотеку) и со­
1.2. Типы и структуры данных. Файлы и файловые системы
23
держащих данные по совокупности однородных объектов. Эле­
менты данных образуют поля, среди которых выделяются эле­
ментарные и групповые (агрегатные). В языках ПЛ/1, Паскаль
появляются массивы агрегатов/записей (рис. 1.2, д).
С появление СУБД и АИПС возникают новые разновидности
структур (см. табл. 1.5):
• м н о ж е с т в е н н ы е поля данных;
• п е р и о д и ч е с к и е групповые поля;
• т е к с т о в ы е о б ъ е к т ы (документы), имеющие иерархи­
ческую структуру (документ, сегмент, предложение, слово).
Файлы и файловые системы
Рассмотренные выше (а также и ряд других) типы и структу­
ры данных связываются с внешними устройствами ЭВМ через
концепцию ф а й л а (структурированного набора данных). Ф и ­
з и ч е с к о е размещение данных на периферийных устройствах
и л о г и ч е с к о е «восприятие» их прикладными программами
осуществляются о п е р а ц и о н н ы м и с и с т е м а м и (ОС) и
с и с т е м а м и у п р а в л е н и я б а з а м и д а н н ы х (СУБД), ко­
торые реализуют функцию у п р а в л е н и я д а н н ы м и , цен­
тральное место в которой принадлежит именно файлам. На
уровне ОС осуществляется связь между а д р е с о м данных и
и м е н е м (файла). На уровне СУБД — между с о д е р ж и м ы м
и а д р е с о м данных [7].
Понятие файла появляется впервые в операционной системе
OS/360 фирмы IBM, причем в ранних версиях системы «настоя­
щим файлом» считался только перфокарточный массив («file» =
«картотека»), данные на МД и МЛ обозначались как DS (Data
Set — набор данных). В последующих ОС (RSX, UNIX, MS
DOS) файлами становятся именованные организованные набо­
ры данных на любых носителях и устройствах, за сохранность и
обновление которых (а также передачу в прикладные програм­
мы/из прикладных программ) несет ответственность ОС ЭВМ.
В качестве простого примера рассмотрим структуру файлов
на MJI, которая была принята в OS/360 (так называемая лента
без меток — NL) [13].
Хотя магнитные ленты для цифровой записи данных разме­
щаются на бобинах или кассетах (подобно лентам для бытовой
24
Глава 1. Основные принципы построения и функционирования..
аудио- или видеозаписи), принципы размещения информации
на МЛ в данном случае существенно другие (рис. 1.3):
• информация размещается на носителе в виде блоков (мас­
сивов данных фиксированной или переменной длины);
• информационные блоки разделены пустыми промежутками
(gap), позволяющими считывающему устройству распо­
знать начало (окончание) блока. Размер промежутка между
записями выбирается достаточным для разгона ленты до
установленной скорости и остановки ее точно на следую­
щем промежутке. Недостаток промежутков между запися­
ми — уменьшение полезного объема MJI, так как области,
отведенные под промежутки, нельзя использовать для хра­
нения данных. Частично указанный недостаток устраняет
процесс блокирования, суть которого состоит в объединении
нескольких записей в блоки;
• блоки подразделяются на информационные (ИБ — распозна­
ются программами) и служебные (распознаются устройст­
вом — конец файла, конец тома и пр.);
• физическое начало и физический конец ленты обычно оп­
ределяются оптическим или механическим датчиком (неза­
висимо от содержания ленты).
1-й файл (file 1)
2-й файл (file 2)
■гG
1
1
2
3
2
G
EOF
3
4
6
J
S
G
ш ш
3
5
...
G
EOF
G
EOV
3
6
3
7
8
Том (volume)
Рис. 1.3. Структура данных на магнитных лентах:
/ — физическое начало ленты (начальный ракорд); 2 — информационные блоки
(ИБ) 1-го файла; 3 — GAP, промежуток между блоками; 4 — конец файла (EOF,
e n d - o f - f i l e ) , служебный блок, задающий конец 1-го файла; 5 — информаци­
онные блоки (ИБ) 2-го файла; 6 — конец 2-го файла; 7 — служебный блок, за­
дающий логический конец ленты (EOV, en d -o f-v o lu m e); 8 — физический конец
ленты (ракорд)
В данном случае, как и часто в последующих проектах (см.
гл. 3), применялась девятидорожечная магнитная лента, на кото­
рую информация параллельно заносится девятью магнитными го­
ловками. Из девяти одновременно записываемых битов информа­
ции восемь являются информационными (один байт) а один —
контрольным битом четности. Начало области магнитной ленты,
1.2. Типы и структуры данных. Файлы и файловые системы
25
в которую записывается информация, называется точкой загруз­
ки и помечается специальным физическим маркером. Физиче­
ский маркер представлял собой кусочек алюминиевой фольги,
наклеиваемый на расстоянии от начала магнитной ленты. КонеЦ
информационной области МЛ помечается таким же физическим
маркером, наклеиваемым на некотором расстоянии от конца МЛ.
Наличие указанных специальных маркеров, распознавание кото­
рых производится фотоэлектронным способом, позволяет осуще­
ствить перемотку МЛ к началу информационной области и авто­
матический останов по достижении ее конца.
Максимальное ограничение на размер блока зависит от раз­
мера доступной оперативной памяти (возможность размещения
буфера считывания файла). Блокирование увеличивает полезный
объем магнитной ленты за счет сокращения числа промежутков
между записями. Кроме того, уменьшается количество операций
ввода-вывода, так как за одну операцию производится пересыл­
ка не одной записи, а сразу нескольких. Преимущества блокиро­
вания, заключающиеся в увеличении полезного объема МЛ и
уменьшении общего времени работы программы на ввод-вывод
данных, значительно превосходят возникающие при этом недос­
татки, связанные с увеличением объемов данных в программе
пользователя и необходимостью выполнения процедур по фор­
мированию блоков и разделению принятых блоков на записи.
Рассмотрим данный вопрос подробнее.
Блокирование (физические и логические записи). На логическом
уровне («взгляд» прикладной программы) файл обычно пред­
ставляет собой совокупность л о г и ч е с к и х з а п и с е й одина­
ковой структуры, каждая из которых — набор (агрегат) разно­
родных данных (см. рис. 1.2). Логическая запись обычно разме­
щается в рабочей области памяти прикладной программой
отдельно, как единое целое.
Ф и з и ч е с к а я з а п и с ь , с которой работает файловая сис­
тема — это совокупность данных, которые размещаются в файле
на внешнем носителе, и могут быть считаны или записаны как
единое целое одной командой ввода-вывода (информационные
блоки на рис. 1.3).
Организация данных в случаях логического и физического
представления может не совпадать, в частности, одна физиче­
ская запись может включать несколько логических (блокирова­
ние записей — рис. 1.4, а). При этом алгоритмы выделения ло­
гических записей из физической в значительной степени зависят
26
Глава 1. Основные принципы построения и функционирования..
&лок данных (физическая запись)
п,
П о П )Ч * С (М
ипкь
Физическая запись
Пощ чяш яи
Л ц|ич»с1«в
ились
Е
Запись О Запись
в
Е
Е
С Запись
0
В
S
•••
Е
О Запись
В
Е
О
в
б
Запись
Е
Запись 0
В
Запись
Запись
Е
О
S
в
L
L
Е
Е
О L Запись О
Ь
V
Запись
L
Запись
Е
О
Запись
F
О
В
д
Е
О
R
Запись
Читать запись/байт.
Обработка считанных
данных
В
F
Запись L Запись О *. ■ 1 Запись L
Запись
Открыть
файл
Е
О
R
Запись
Закрыть
файл
Е
О
F
t----
3
е
Запись
Запись
I Запись
Запись
I Запись
t
Рис. 1.4. Организация и обработка файлов данных:
а — логические и физические записи; б — записи фиксированной длины (ФД) несблокированные; в — записи ФД с блокировкой; г — записи переменной длины
(ПД); д — записи ПД с блокировкой; е — записи неопределенной длины; ж — потоко-ориентированный файл; з — типичный цикл обработки файла; е о в — конец
блока; EOF — конец файла; EOR — конец записи; L — байты длины записи
от типа записи, рассматриваемого как характер организации по­
следовательности байтов.
На логическом уровне выделяют следующие типы записей
(рис. 1.4):
• ф и к с и р о в а н н о й д л и н ы , для размещения каждой из
которых на носителе выделяется память постоянного объе­
ма, объявляемого заранее. В этом случае данные, образую­
щие запись, имеют устойчивую природу и представляются
жесткими структурами, например ряд числовых полей или
символьная последовательность заданной длины;
1.2. Типы и структуры данных. Файлы и файловые системы
27
• п е р е м е н н о й д л и н ы , когда каждый экземпляр записи
может иметь длину, отличную от длины другой в том же
наборе. В этом случае запись содержит либо элементы дан­
ных переменной длины (например, текстовые строки),
либо переменное число элементов фиксированной длины.
- Структура представления логической записи здесь отлича­
ется тем, что байтам содержания (собственно данным, об­
разующим логическую запись) предшествуют байты значе­
ния д л и н ы с о д е р ж а н и я этой логической записи
(L на рис. 1.4).
• н е о п р е д е л е н н о й д л и н ы — представление записей,
имеющих переменную длину, когда данные, образующие
логическую запись, завершаются разделителем конец з а ­
писи (или т е р м и н а т о р о м записи). Порядок доступа к
записям может быть только последовательным, поскольку
для определения точки начала следующей записи надо
знать значение длины предшествующей.
Конец блока (ЕОв) во всех рассмотренных случаях — обычно
уже известная пустая область (gap, см. рис. 1.3), хотя это может
быть и особый код, распознаваемый устройством, т. е. тот же
разделитель. Однако в записях переменной или неопределенной
длины в начале блока могут размещаться байты длины блока
(некоторое значение L’, используемое аналогично L).
Цикл обработки файла (например, внесение изменений в
счета клиентов) включает следующие операции (см. рис. 1.4):
• открытие файла — занятие устройства, на котором файл
размещен (например, МД), создание в ОП управляющего
блока, в котором записывается справка о состоянии файла
и буфера (или набора буферов — буферного пула) для хра­
нения текущей, обрабатываемой записи файла;
• организация цикла, управляемого файлом (заканчивается по
исчерпании записей/байтов файла — наступлении состоя­
ния EOF — end-of-file), после этого выполняется неко­
торый оператор, обычно завершения обработки. Цикл дол­
жен содержать команду типа READ, GET (ввод записи) или
PUT, w r i t e (вывод записи) либо r e w r i t e (обновить за­
пись). Команда READ может являться функциональным
аналогом заголовка цикла;
• закрытие файла — выполнение операций по внесению всех
окончательных изменений в файл и его реквизиты, освобо­
Глава 1. Основные принципы построения и функционирования...
ждение памяти, отведенной под файл, устройства, на кото­
ром он размещался, и других связанных ресурсов.
Файлы на МД. Накопитель на магнитных дисках (НМД)
конструктивно представляет собой вращающийся пакет из одно­
го или более алюминиевых дисков с намагничиваемым покрыти­
ем. Количество магнитных головок равно числу рабочих поверх­
ностей на одном пакете дисков (рис. 1.5, а). Если пакет состоит
из 11 дисков, то механизм доступа (блок головок) состоит из
10 держателей с двумя магнитными головками на каждом из них.
Совокупность дорожек, доступных при фиксированном положе­
нии блока головок, называется цшшндром. Дорожки в цилиндре
нумеруются начиная с верхних. Если блок зафиксирован на ка­
ком-либо из цилиндров, то переход с одной дорожки на другую
в цилиндре осуществляется переключением головок.
Имя файла
(заглавная
File 1
FM------т * ._ э
-
Номера блоков, выделенных
для размещения
файлов
7
13
• -3 г 5
Область пвр<вполнения
FU* 1
Дорожка
..
23
±.
т
.
Список свободных блоков
L
-4- 4
I
I
6
12
11
13
'лисок сбойных блоков
i М
I
i
I
Рис. 1.5. Размещение данных на пакете МД (о); обычная (б) и зонная (в) запись;
простейшая файловая система (г)
В то время, как доступ к файлам на MJI обычно осуществля­
ется в последовательном порядке (чтобы считать запись/блок N,
необходимо «пролистать» iV—1 предшествующих), файлы на МД
допускают прямой доступ, непосредственно к необходимому
блоку (адрес которого должен быть предварительно определен
прикладной программой или ОС).
В идейном плане размещение информации на МД аналогич­
но MJ1 (дорожка МД эквивалентна отрезку MJ1). Адрес блока на
МД состоит из номера цилиндра, номера поверхности, номера
блока на соответствующей дорожке (см. рис. 1.5). Начало и ко­
1.2. Типы и структуры данных. Файлы и файловые системы
29
нец блока распознаются по промежуткам или кодам, начало и
конец дорожки — оптическим (для сменных МД) или электро­
магнитным (для постоянных МД) датчиком угла поворота оси
пакета МД. Размер блока, очевидно, не может быть больше дли­
ны дорожки МД.
Теоретически внешние цилиндры могут содержать больше
данных, так как имеют большую длину окружности. Однако в
накопителях, не использующих метод зонной записи, все ци­
линдры содержат одинаковое количество данных, несмотря на
то, что длина окружности внешних цилиндров может быть вдвое
больше, чем внутренних, и в результате пространство внешних
дорожек используется неэффективно (рис. 1.5, б).
Для компенсации различной плотности используют метод
з о н н о й з а п и с и (zone bit recording), где все пространство
диска делится на зоны (восемь и более) (рис. 1.5, в). В зоне, рас­
положенной на внешнем радиусе, записывается большее количе­
ство секторов на дорожку (120—96), а затем к центру диска это
число уменьшается и достигает 64—56.
С увеличением плотности записи на диск возникают трудно­
сти при детектировании пиков аналоговых сигналов, поступаю­
щих от магнитных головок. Для устранения этого недостатка при­
меняется метод PRLM (Partial Response Maximum Likelihood —
«максимальное правдоподобие при частичном отклике»), в кото­
ром используется специальный алгоритм цифровой фильтрации
входного сигнала.
Файловые системы (ФС). Операционными системами на ка­
ждом томе (дискете, диске, пакете дисков, CD-ROM и пр.) соз­
дается совокупность системных данных, которая называется
ф а й л о в о й с и с т е м о й (файловой структурой).
Файловая система (пустая) создается при инициализации
(разметке) тома, затем корректируется ОС (подсистемой управ­
ления данными) при текущей работе, в процессе создания, уда­
ления, модификации (увеличения или уменьшения объема) ф ай­
лов пользователя, содержащих программы или данные.
Файловая система включает в себя т а б л и ц у с о д е р ж а ­
н и я и о б л а с т ь д а н н ы х — совокупность блоков на диске,
идентифицируемых своими номерами/адресами. Обычно адрес
блока состоит из трех чисел — № цилиндра (совокупность доро­
жек, доступных при фиксированном положении блока головок
считывающего устройства), № поверхности (дорожки в цилинд­
ре), № блока на дорожке.
30
Глава 1. Основные принципы построения и функционирования..
Абстрактная файловая система. Рассмотрим пример про­
стейшей (абстрактной) таблицы содержания, оглавления тома
(диска, пакета дисков), которая в разных ОС имеет различные
наименования — VTOC — Volume Table of Content (таблица со­
держания тома), FAT — File Allocation Table (таблица размеще­
ния файлов), FDT — File Definition Table (таблица определения
файлов) и т. п. Пример таблицы приведена на рис. 1.5, г.
Она очень похожа на «настоящую» и состоит из трех областей:
• о б л а с т ь ф а й л о в — таблица, имеющая обычно ограни­
ченное (в приведенном примере N = 6 ) число строк N
(в MS DOS, например, N~500, т. е. число файлов не бо­
лее 500). Количество столбцов М (в примере М= 5) обычно
выбирается из тех соображений, чтобы 85—95 % файлов,
создаваемых предполагаемыми пользователями, содержали
бы не более М блоков, что зависит как от размера блока и
типа пользователя, так и от общего уровня развития ин­
формационного и программного обеспечения. Первый
столбец таблицы в каждой строке (заглавная запись —
Title Record) содержит данные о файле, в данном при­
мере — имя файла;
• о б л а с т ь п е р е п о л н е н и я — дополнительная таблица
аналогичной структуры, в которую записываются номера
блоков особо длинных файлов (в примере F i l e l) . Орга­
низация таблицы размещения в форме области файлов и
области переполнения, очевидно, позволяет сэкономить на
объеме таблицы в целом, не ограничивая в то же время ве­
роятной длины файла;
• с п и с о к с в о б о д н ы х б л о к о в — информация, необхо­
димая для размещения создаваемых или расширяемых
файлов. Список создается при инициализации и включает
все блоки, кроме поврежденных, а затем корректируется
при создании, удалении, модификации файлов;
• с п и с о к с б о й н ы х б л о к о в — таблица, создаваемая
при инициализации (разметке, форматировании) тома
(диска), пополняемая программами диагностики и предот­
вращающая выделение дефектных областей на магнитном
носителе под файлы данных.
Здесь не указаны такие известные атрибуты файлов, как дли­
на (в байтах), время создания, тип (архивный, скрытый, только
для чтения, не для исполнения и пр.), которые могут содержать­
1.2. Типы и структуры данных. Файлы и файловые системы
31
ся в заглавной записи таблицы (колонка 1). В развитых системах
коллективного пользования такие данные содержатся в специ­
альных таблицах разделения полномочий, поскольку перечис­
ленные, да и другие атрибуты должны быть соотнесены с кон­
кретными пользователями.
Кроме того, где-то должны быть размещены метка тома (имя
и тип/объем), количество занятого и свободного пространства и
прочая совокупная информация по тому данных.
Перечислим особенности ситуации, зафиксированной на
рис. 1.5, г в простейшей (искусственной) файловой системе:
• F i l e l занимает 6 блоков, это число больше максимально­
го, поэтому адрес последнего блока (№ 23) размешен в таб­
лице переполнения;
• F i l e 2 занимает 2 блока, что меньше ограничения, поэто­
му вся информация сосредоточена в области файлов.
Имеются следующие конфликтные ситуации:
• F i l e _ 3 не содержит ни одного блока (следовательно, файл
был удален, но заглавная запись сохранилась);
• F i l e 4 и F i l e l ссылаются на блок № 3. Это — ошибка,
поскольку каждый блок должен быть закреплен за единст­
венным файлом;
• F i l e l содержит ссылку на блок № 7, помеченный как
сбойный (нечитаемый). Это приведет к невозможности
корректно полностью прочитать данный файл — ситуация,
знакомая каждому, работавшему с НГМД;
• в списке свободных блоков содержатся номера блоков
№ 12 (помеченный как сбойный) и № 13 (распределенный
под F i l e _ l ) .
Это очевидные свидетельства начавшегося разрушения фай­
ловой системы. Перечисленные конфликты могут иметь своими
источниками сбои, программные ошибки (разработчиков ОС),
некорректное завершение ОС либо целенаправленную деятель­
ность вирусных или иных злонамеренных программ.
Все операционные системы, как правило, поддерживают сле­
дующие элементы иерархических файловых систем — обычные
файлы, каталоги, специальные байт-ориентированные и блокориентированные файлы. Файл является массивом байтов (бло­
ков фиксированной длины). Каталоги обеспечивают связь между
именами файлов и собственно файлами. Каждый элемент ката­
лога содержит имя файла и ссылку на конкретный файл. Для
именования файлов используются корневой и текущий каталоги.
32
Глава 1. Основные принципы построения и функционирования...
Наиболее распространены два подхода:
• з а п и с е - о р и е н т и р о в а н н ы е ф а й л ы — уже извест­
ный подход, когда пользователи представляют файл как
п о с л е д о в а т е л ь н о с т ь з а п и с е й . Записи можно чи­
тать или записывать последовательно или позиционировать
файл на запись с указанным номером;
• п о т о к о - о р и е н т и р о в а н н ы е файлы — второй под­
ход, ставший распространенным вместе с операционной
системой UNIX, состоит в том, что любой файл представ­
ляется как п о с л е д о в а т е л ь н о с т ь б а й т о в . Из файла
можно прочитать указанное число байтов, либо начиная с
его начала, либо предварительно произведя его позицио­
нирование на байт с указанным номером. Аналогично
можно записать указанное число байтов в конец файла
либо предварительно выполнив позиционирование файла
(см. рис. 1.4, ж).
Типы файлов в ОС. В системе OS/360 основную роль и ф ал и
два типа файлов:
• символьные (исходные программы или данные);
• двоичные (программы в машинных кодах).
В современных системах активно используется значительно
большее разнообразие файлов, из которых мы перечислим наи­
более типичные (табл. 1.6):
• текстовые файлы — обобщенное название для простых и
размеченных текстов, ASCII-файлов и других наборов дан­
ных символьной информации, которые интерпретируются
и обрабатываются текстовыми редакторами, процессорами,
анализаторами (Lexicon, Word, ТЕС, анализаторы SGML,
HTML);
• текст без разметки (планарный, «плоский») — файл, со­
держащий только отображаемые (воспроизводимые на всех
печатающих устройствах и терминалах) символы кода
ASCII, а также простейшие управляющие символы: возврат
каретки (CR); перевод строки (LF); символ табуляции ( tab ),
иногда — новая страница (LF);
• текст с разметкой — планарный файл, содержащий бинар­
ную (обычно ESC-последовательности) или символьную раз­
метку, управляющую отображением информации (про­
граммно и/или аппаратурной
• A S C /l-файл содержит только отображаемые коды кодовой
таблицы ASCII (латиница и служебные символы), обычно
1.2. Типы и структуры данных. Файлы и файловые системы
33
Таблица 1.6. Основные типы файлов, обрабатываемых в ПЭВМ
Тип, расширение имени
Вид информации, содержащейся
в файле
е х е , сот
Программа, готовая
к исполнению
bat
Текстовый командный файл
sys
Системный файл
ovl, ovr
Оверлейный файл
txt, 1st
Текстовый документ
(«плоский» ASCII-файл)
doc, rtf, htm, pdf
Документы — Word, размечен­
ный текстовый файл (Rich Text
Format), HTML, Adobe Acrobat
arj, rar, zip, lzh, arc
Архивные файлы
bas, pas, с
Текст программ на языках
Basic, Pascal, Си
bmp, pcx, gif, tif, jpg
Графические файлы
Мнемоническое обозначение
в ОС Windows 2000/ХР
П
Ш
ь,
%
ь,
т
и***
1 Ш .Ш
Я
ь.
т
Яг I ' . a S .
■
Электронные таблицы Excel
и
xls
IlMllllll
lllllllll
Файлы баз данных формата
DBase, Foxpro, Cliper
| iiiiiinl
d b f ,scr, f rx
в
lib, dll
Файлы библиотек
hip
Файл справки (подсказки,
помощи)
wav, mid, mp3, mod
Звуковые файлы
avi, mov, mpg, vob
Файлы видеоинформации
2Ш Ш
&
3-
1814
34
Глава 1. Основные принципы построения и функционирования.
применяется для хранения документов с символьной раз­
меткой (RTF, SGML, HTML);
• табличный файл содержит форматированные данные (сим­
вольные, численные и др.), образующие строки и столбцы
таблиц, создаваемых и обрабатываемых табличными СУБД
(FoxPro, Clipper, MS Access) и/или процессорами (Super­
Calc, MS Excell и др.);
• графический файл — бинарный файл, содержащий графиче­
скую информацию. Форматы: TIF (Tagged Image File), BMP
(Bit-Mapped Picture), а также ряд других — PCX, P ic и т. д.;
• мультимедийные файлы — бинарные, содержащие оцифро­
ванную аудио- (типы wav или MIDI-Sequencer) видео­
ф орм ат MPEG) или смешанную информацию.
1.3. Мультимедийные данные, их представление
и обработка
Запись и обработка аудиоинформации
Принятый в настоящее время стандарт CD использует так на­
зываемый «16-разрядный звук с частотой сканирования 44 кГц».
Для рис. 1.1 в переводе на нормальный язык это означает,
что «длина ступеньки» (т) равна 1/44 ООО с, а «высота ступеньки»
(5) составляет 1/65 536 от максимальной громкости сигнала (по­
скольку 216 = 65 536). При этом частотный диапазон воспроизве­
дения составляет 0—22 кГц, а динамический диапазон — 96 де­
цибел (что составляет совершенно недостижимую для магнитной
или механической звукозаписи характеристику качества).
Необходимо заметить, что различные звуковые карты мо­
гут обеспечить 8- или 16-битовые выборки, 8-битовые карты
позволяют закодировать 256 (28) различных уровней дискре­
тизации звукового сигнала, соответственно 16-битовые —
65 536 уровней (216).
Количество выборок в секунду, т. е. частота дискретизации
аналогового звукового сигнала, также может принимать различ­
ные значения — 5,5, 11, 22 и 44 кГц. Таким образом, качество
звука в дискретной форме может быть как невысоким (качество
радиотрансляции) при 8 битах и 5,5 кГц, так и высоким (качест­
во аудио CD) — 16 бит и 44 кГц.
1.3. Мультимедийные данные, их представление и обработка
35
Поскольку компакт-диск — стереосистема, необходимо за­
писывать по два 16-разрядных слова 44 100 раз в секунду. Это
удается в пределах 176,4 Кбайт/с (1,4 Мбит/с), 10,58 Мбайт/мин
или 635 Мбайт/ч. Эта стандартная скорость записи-считывания
информации известна как о д н о к р а т н а я ( 1 х и л и С О 1х).
Для записи звука к звуковой плате может быть подключен
микрофон или устройство воспроизведения звука (магнитофон,
CD-плейер). Для воспроизведения звука к ее выходу могут быть
подключены акустические колонки или наушники, а также любая
акустическая система (магнитофон, музыкальный центр и т. д.).
Сжатие звуковых сигналов. Указанный выше поток в
176 Кбайт/с (качество аудио CD) является весьма ресурсоемким
и поэтому с появлением цифровой звукозаписи сразу же нача­
лись разработки методов сжатия звукового сигнала.
Рассмотрим в качестве примера формат MP3 (табл. 1.7). Ал­
горитмы MPEG основаны на восприятии звуковых сигналов
слуховым аппаратом человека. Поскольку восприимчивость слу­
ха на разных частотах, в разных композициях — различная, этим
пользуются при построении п с и х о а к у с т и ч е с к о й м о д е ­
ли, которая учитывает, какие звуки, частоты можно исключить,
не нанося ущерба слушателю композиции.
МРЗ-стандарт делит спектр частоты на 576 полос частоты и
независимо сжимает каждую полосу. Затем этот спектр очищает­
ся от заведомо неслышимых составляющих — низкочастотных
шумов и наивысших гармоник. На следующем этапе производит­
ся значительно более сложный психоакустический анализ слы­
шимого спектра частот — выявление и удаление «замаскирован­
ных» частот (частот, которые не воспринимаются слухом в виду
их приглушения другими частотами). Тихий звук немедленно по­
сле громкого также может быть удален, так как ухо адаптируется
к громкости. Если звук идентичен на обоих каналах стерео, этот
сигнал сохраняется однажды, но воспроизводится на обоих кана­
лах. Затем, в зависимости от уровня сложности используемого
алгоритма, может быть также произведен анализ предсказуемо­
сти сигнала и проводится сжатие уже готового битового потока.
Степень сжатия и, соответственно, объем дополнительного
квантования определяются не форматом, а самим пользователем
при задании параметров кодирования. Ш и р и н а п о т о к а , или
б и т р е й т ( b i t r a t e ) может изменяться от наибольшего для
MP3 (320 Кбит/с ср. с 1,4 Мбит/с для «сырого» звука) до
96 Кбит/с и даже ниже.
36
Глава 1. Основные принципы построения и функционирования..
Таблица 1.7. Характеристики некоторых типов аудиоформатов
Наименование
MP3
Характеристики
Расширение
От MPEG Layer III — одного из основных цифровых форматов
хранения аудио, разработанного Fraunhofer IIS и THOMSON,
позднее утвержденного как часть стандартов сжатого видео
и аудио MPEG1 и MPEG2
.m p 3
МРЗРго
Базируется на технологии SBR (Spectral Band Replication), расши­
ряющей психоакустические модели — при кодировании высокие
частоты срезаются, а при декодировании восстанавливаются, ос­
новываясь на информации о более низких частотах
• mp3
WAV
Использует основной формат несжатого звука (РСМ). Имеет
стандартный заголовок и описания областей данных, в которых
могут располагаться аудиосигналы с различной частотой кванто­
вания
.w a v
VQF
Формат с высокой степенью сжатия. VQF-файл с компрессией
80 Кбит/с по качеству идентичен МРЗ-файлу, записанному в
128 Кбит/с, степень сжатия превосходит MP3 более чем на 30 %
«v q f
WMA
Windows Media Audio — алгоритм сжатия, обеспечивающий каче­
ство 128 Кбит/с МРЗ-файлов при цифровом потоке в 64 Кбит/с
,wma
BWF
Broadcast Wave Format (разработан European Broadcasting Union
для замены WAV)
.b w f
OGG Vorbis
-
После втрое более медлительного по сравнению с WMA процесса
кодирования на выходе при 128 Кбит/с получается звук, близкий
к оригинальной записи
Файл формата MP3 может также содержать информацию о
файле непосредственно в заголовке — имя исполнителя, графи­
ку (альбом диска), URL для дальнейшей информации, текст пес­
ни и т. д.
Звуковой синтез. Звуковая плата ПК содержит также подсис­
тему синтеза и воспроизведения музыки, которая генерирует
звуковые волны одним из двух способов:
•
• через внутренний синтезатор (например, ЧМ-синтезатор);
• проигрывая оцифрованный (sampled) звук.
Частотная модуляция. Синтез с и с п о л ь з о в а ­
н и е м ч а с т о т н о й м о д у л я ц и и ( F M - s y n t h e s i s ) осно­
вывается на последовательном и параллельном подключении
генераторов простых сигналов и их взаимомодуляции. Схема
соединения генераторов и параметры каждого сигнала (частота,
амплитуда и закон их изменения во времени) определяют тембр
1.3. Мультимедийные данные, их представление и обработка
37
звучания; а количество генераторов и степень тонкости управ­
ления ими определяет предельное количество синтезируемых
тембров.
Т а б л и ч н ы й с и н т е з ( Wa v e Ta bl e s y n t h e s i s ил и
P C M - s y n t h e s i s ) . Технология используюет выборки звуков
реальных инструментов — небольших сэмплированных «кусоч­
ков» звуковой волны, определенный набор которых позволяет
создать звучание инструмента, смоделировать интересные звуки.
Графическая информация
С 80-х гг. бурно развивается технология обработки на компь­
ютере графической информации. Компьютерная графика широ­
ко используется в компьютерном моделировании в научных ис­
следованиях, компьютерных тренажерах, компьютерной анима­
ции, деловой графике, играх и т. д.
С незапамятных времен существуют два принципиально раз­
личных типа формирования изображения (рис. 1.6). Первый —
путем нанесения на поверхность рисунка совокупности точек
разного цвета, плотности, яркости (как это и происходит в цвет­
ной или черно-белой полиграфии), второй — путем вычерчива­
ния и заштриховывания (графика или гравюра).
Оба этих подхода сохранились и в компьютерную эру, только
точечное изображение получило наименование р а с т р о в о г о
(впрочем, как это и было у печатников), рисованное — в е к ­
т о р н о г о . Кроме того, компьютеризация сама предложила ряд
а
б
в
г
Рис. 1.6. Типы графических изображений:
а — растровое изображение как таблица пикселей; б — векторные изображения,
созданные путем комбинации окружностей, прямоугольников, прямых и кривых
линий; в — эффект масштабирования растрового изображения (число пикселей
не изменяется, форматы типа jpg, gif, png); г — масштабирование векторного
изображения (формат svg)
38
Глава 1. Основные принципы построения и функционирования..
новых подходов к графике, например ф р а к т а л ь н ы й . Ф рак­
тал — это объект, отдельные элементы которого наследуют свой­
ства родительских структур. Фракталы позволяют детально опи­
сывать целые классы изображений с расходованием относитель­
но малого количества памяти, однако к изображениям вне этих
классов фракталы плохо применимы.
Большинство устройств ввода-вывода данных в ЭВМ имеют
дело с растровой информацией, хотя векторное изображение бо­
лее экономично, например, чтобы провести прямую при вектор­
ном подходе, достаточно задать координаты ее начала и конца
(4 числа, (х„ у,), (х2, у2)), в то время как растровое описание тре­
бует задания всех точек прямой (а их может быть несколько сот
или тысяч!). Поэтому перед разработчиками информационных
систем стоит извечная проблема — в е к т о р и з а ц и я растрово­
го изображения (рис. 1.7). Этот процесс называется т р а с с и ­
р о в к о й . Программа трассировки отыскивает группы пикселей
с одинаковым цветом, а затем создает соответствующие им век­
торные объекты.
Далее в основном речь будет идти о растровых представлени­
ях. Здесь графическая информация представляется в виде изобра­
жения, которое формируется из точек (пикселей).
46
а
б
Рис. 1.7. Растровое изображение (о) и его векторизация (6)
1.3. Мультимедийные данные, их представление и обработка
39
Схемы цветообразования. Цвета одних предметов человек ви­
дит потому, что они излучают свет, а других — потому, что они
его отражают.
Аддитивные (RGB) и субтрактивные (CM YK)
с х е м ы . Система аддитивных цветов работает с излучаемым светомт например от монитора компьютера. А д д и т и в н ы й цвет
(от англ. add — суммировать, складывать) образуется при соеди­
нении лучей света разных цветов. В этой системе используются
три основных цвета — к р а с н ы й , з е л е н ы й и с и н и й
(RGB — Red, Green, Blue). Если их смешать друг с другом в рав­
ной пропорции, они образуют белый цвет, а при смешивании в
разных пропорциях — любой другой, отсутствие же всех основ­
ных цветов представляет черный цвет.
Важным свойством цветового зрения является п р о с т р а н ­
с т в е н н о е у с р е д н е н и е ц в е т а (цветовая интерполяция),
которое заключается в том, что с большого расстояния цвета от­
дельных деталей неразличимы и все близко расположенные
цветные детали будут выглядеть окрашенными в один смеш ан­
ный цвет. Поэтому в электронно-лучевой трубке монитора фор­
мируется цвет одного элемента изображения из трех цветов рас­
положенных рядом люминофорных зерен. При функционирова­
нии некоторых типов видеопроекторов используется также
в р е м е н н о е у с р е д н е н и е ц в е т о в , когда поочередное ос­
вещение поверхности экрана основными цветами приводит к их
визуальному смешиванию.
Система с у б т р а к т и в н ы х цветов (от англ. subtract — вы­
читать) работает с отраженным, например от листа бумаги, све­
том. Белая бумага отражает все цвета, окрашенная — некоторые
поглощает, а остальные отражает. Здесь происходит обратный
процесс — итоговый цвет образуется путем вычитания некото­
рых других цветов из общего отраженного света. В этой системе
белый цвет появляется в результате отсутствия всех цветов, тогда
как их присутствие дает черный цвет.
В системе субтрактивных цветов основными являются голу­
бой, пурпурный и желтый цвета (CMY), противоположные крас­
ному, зеленому и синему. Когда эти цвета смешиваются на
белой бумаге в равной пропорции, получается черный цвет.
В действительности типографские краски поглощают свет не
полностью, и поэтому комбинация трех основных цветов выгля­
дит темно-коричневой. Чтобы исправить возникающую неточ­
ность, для представления тонов черного цвета при печати добав­
40
Глава 1. Основные принципы построения и функционирования..
ляют немного черной краски. Систему цветов, основанную на
таком процессе четырехцветной печати, принято обозначать аб­
бревиатурой С М Y К ( C y a n , M a g e n t a , Y e l l o w , B l a c k ) .
Система CMYK создана и используется для печати. Все файлы,
предназначенные для вывода в типографии, должны быть кон­
вертированы в CMYK.
Цвет в CMYK может быть описан совокупностью четырех
чисел (или цветовыми координатами), каждое из которых пред­
ставляет собой процент краски основных цветов, составляющий
цветовую комбинацию. Например, для получения темно-оран­
жевого цвета следует смешать 30 % краски cyan, 45 % magenta,
80 % yellow и 5 % black, тогда этот цвет можно закодировать сле­
дующим образом — (30,45,80,5), или же C30M45Y80K5.
С х е м а YUV. Исследования показали, что глаз человека бо­
лее восприимчив к яркости, чем к цветам. Это используется в
телевизионном м е т о д е Y U V для кодирования изображений,
при котором интенсивность обрабатывается независимо от цве­
та. Сигнал Y предназначен для передачи интенсивности и изме­
ряется в максимальном разрешении, в то время как U и V — для
цветовых сигналов различия (цветоразностных).
Это делается по двум основным причинам. Первая — необ­
ходимость сохранить совместимость цветного телевидения с мо­
нохромным, для которого используется только сигнал яркости.
Вторая — возможность передавать цветоразностные сигналы с
меньшей пропускной полосой сигнала, что дает возможность
уменьшить объемы памяти накопителей для хранения видеома­
териала.
При YUV-представлении видеосигнала цветоразностные
компоненты U и V передаются с вдвое меньшим разрешением
(частота дискретизации у сигнала яркости в 4 раза больше ос­
новной частоты в 3 МГц, а у цветоразностных в 2 раза). Обычно
при характеристике устройств ввода такую оцифровку называют
половинным разрешением (или YUV 4 : 2 : 2 ) . Запись 4 : 1 : 1 {раз­
решение одной четверти YUV 4 : 1 : 1 ) означает в 4 раза меньшую
частоту выборки, что приводит к потере качества изображения.
Запись 8 : 8 : 8 означает представление и оцифровку видеосигна­
ла как RGB-составляющих с наилучшим качеством.
Перевод в цифровую форму сигнала YUV вместо RGB требу­
ет 16 битов (2 байта) вместо 24 битов (3 байта), чтобы предста­
вить точный цвет, так что одна секунда видеоформата PAL по­
требует приблизительно 22 Мбайта.
1.3. Мультимедийные данные, их представление и обработка
41
Ц в е т о в ы е м о д е л и H S B и H S L . Более логичным спо­
собом описания цвета является представление его в виде тона,
насыщенности и яркости — система HSB (либо HSL — тон, на­
сыщенность, освещенность).
Т о н представляет собой конкретный оттенок цвета на цве­
товом круге, отличный от других: красный, зеленый, голубой
и т. п. Н а с ы щ е н н о с т ь цвета характеризует его относитель­
ную интенсивность (или чистоту). Уменьшая насыщенность, на­
пример, красного, мы делаем его более пастельным, приближаем
к серому. Я р к о с т ь (или о с в е щ е н н о с т ь ) цвета показывает
величину затемнения или осветления исходного оттенка.
HSB имеет перед другими системами важное преимущество —
она больше соответствует природе цвета, лучше согласуется с мо­
делью восприятия цвета человеком. Многие оттенки можно быст­
ро и удобно получить в HSB, конвертировав затем в RGB или
CMYK, доработав в последнем случае, если цвет был искажен.
Ц в е т о в а я м о д е л ь G r a y s c a l e . Цветовая модель Gray­
scale представляет собой ту же индексированную палитру, где
вместо цвета пикселям назначена одна из 256 градаций серого.
Форматы графических файлов
Размер файла, в котором сохраняется изображение, сущест­
венно зависит от формата файла, а это — важная характеристика
технологии, поскольку высокие разрешающие способности, под­
держивающиеся многими современными сканерами, могут при­
вести к созданию файлов размером до 30 Мбайт для страницы
формата А4.
Методы сжатия графики. RLE. При сжатии м е т о д о м
R L E (Run Length Enconding, кодирование длины серий) после­
довательность повторяющихся величин (например, набор битов
для представления пикселя) заменяется парой — повторяющейся
величиной и числом ее повторений. Метод сжатия RLE исполь­
зуется в некоторых графических форматах, например в PCX.
Программа сжатия файла может сначала записывать количе­
ство видеопикселей, а затем их цвет, или наоборот. Поэтому
возможна такая ситуация, когда программа, считывающая файл,
ожидает появления данных в ином порядке, чем программа, со­
храняющая этот файл на диске. Если при попытке открыть
файл, сжатый методом RLE, появляется сообщение об ошибке
42
Глава 1. Основные принципы построения и функционирования..
или полностью искаженное изображение, нужно считать этот
файл с помощью другой программы или преобразовать его в со­
вместимый формат.
Сжатие методом RLE наиболее эффективно для изображений,
которые содержат большие области однотонной закраски, и наи­
менее эффективно — для отсканированных фотографий, так как в
них нет длинных последовательностей одинаковых видеопикселей.
Метод сжатия L Z W (назван так по первым буквам его раз­
работчиков — Lempel, Ziv, Welch) основан на поиске повторяю­
щихся узоров в изображении. Сильно насыщенные узорами ри­
сунки могут сжиматься до 0,1 их первоначального размера. М е­
тод сжатия LZW применяется для файлов форматов TIFF и GIF.
Существуют варианты формата TIFF, которые используют дру­
гие методы сжатия.
Метод сжатия JPEG обеспечивает высокий коэффициент
сжатия для рисунков фотографического качества. Формат файла
JPEG, использующий этот метод сжатия, разработан объединен­
ной группой экспертов по фотографии (Joint Photographic
Experts Group). Сжатие no JPEG существенно уменьшает размер
файла с растровым рисунком (до 100 : 1). Метод JPEG использу­
ет тот факт, что в то время как человеческий глаз чувствителен к
изменению яркости, изменения цвета он замечает хуже. ПоэтоТаблица 1.8. Сравнительные характеристики различных графических файлов
Формат обмена графическими данными
Размер файла. Кбайт
Число цветов
BMP — RGB
1 Мбайт
16,7 млн
BMP — RLE
83
256
PCX
189
16,7 млн
TIFF
1 Мбайт
16,7 млн
TIFF — LZW compression
83
16,7 млн
GIF
31
256
JPEG — минимальное сжатие
185
16,7 млн
JPEG — минимальное прогрессивное сжатие
150
16,7 млн
JPEG — максимальное сжатие
20
16,7 млн
JPEG — максимальное прогрессивное сжатие
16
16,7 млн
43
1.3. Мультимедийные данные, их представление и обработка
му при сжатии этим методом запоминается больше информации
о разнице между яркостями пикселей и меньше — о разнице ме­
жду их цветами. Уровень сжатия (степень потери данных) может
изменяться, но даже при задании максимального качества JPEG
теряет некоторые подробности. Количество доступных уровней
сжатия зависит от используемого для редактирования изображе­
ний программного обеспечения.
В табл. 1.8 и 1.9 приводятся характеристики некоторых гра­
фических форматов.
Таблица 1.9. Характеристики некоторых графических файлов
Наименование
Описание
Расширение
Растровые
ART
Формат, используемый клиентскими программами
America Online. Содержит сильно сжатое статическое изо­
бражение, а также текстуры и другие объекты
.art
Windows
Bitmap
Формат Microsoft Windows programs, использующий ме­
тод сжатия RLE, или без сжатия
.bmp
Graphics
Interchange
Format
Поддерживает анимированные изображения, только 255
цветов на кадр. Используется метод сжатия без потерь
LZW. Распространен в WWW
.gif
Joint
Photographic
Experts Group
Используется для фотографий и картин. Базируется на
сжатии с потерями с использованием блоков 8 x 8 пик­
селей
•jpeg,-jpg
Joint
Photographic
Experts Group
JPEG 2000 — развитие JPEG, использует сжатие как с по­
терями, так и без них
.jpg2,.jp2
PCX
Разработан ZSoft Corporation, использует метод сжатия
RLE, поддерживает 24-битовые RGB-изображения
.pcx
Portable Network
Graphics
Формат со сжатием без потерь, поддерживающий цвето­
вую глубину от 1 до 48 бит. Разработан для замены GIF
в WWW
.png
Portable
Pixmap
Format
Формат цветной графики использует 24 бита на пиксель
(по 8 бит на цвет). В отличие от большинства графических
форматов, представляет собой планарный текст, который
может обрабатываться графическими редакторами
.ppm
Tagged Image File Используется для печатной графики, допускает сжатие как
с потерями, так и без них
Format
X BitMap
Формат черно-белой графики в системе X Window System
[13], поддерживается большинством браузеров. Представ­
ляет собой ASCII-файл в синтаксисе ЯП C++
.tiff, .tif
. xbm
44
Глава 1. Основные принципы построения и функционирования...
Окончание табл. 1.9
Наименование
Описание
Расширение
I
Растровые и векторные
Encapsulated
PostScript
PostScript-файл, описывающий небольшие рисунки,
а не полные страницы или их группы
•eps
Portable
Document
Format
Язык описания страниц, базируется на Postscript, описы­
вает совокупности страниц и связей. Обрабатывается
Adobe Acrobat Reader или Adobe eBook Reader, формат по
умолчанию дпя ОС Mac OS X
.pdf
Picture
Формат по умолчанию для ОС Macintosh (до версии OS X)
•pict,
.pet, .pic
Векторные
Adobe
Формат Adobe Illustrator (подмножество PostScript)
Illustrator Artwork
.ai
OpenDocument
drawing
Формат редактора Draw из инструментария 0pen0ffice.org
(ОС Linux, [13])
.odg
PostScript
Векторный язык описания страниц, подобный ЯП. Разра­
ботка и собственность Adobe. Используется во многих ла­
зерных принтерах
.ps
Scalable Vector
Graphics
Расширение языка XML, предназначенное для того, чтобы
описать двумерную векторную графику как статическую,
так и анимированную
svg, svgz
Цифровое видео
Основные принципы. Известны три метода кодирования сиг­
нала телевидения:
• система PAL (Phase-Alternation-Line, чередование строк)
используется в большинстве стран Европы. В системе вы­
полняется 50 проходов экрана электронным лучом каждую
секунду (это связано с тем, что в Европе напряжение элек­
тропитания имеет частоту 50 Гц) и каждый законченный
кадр заполняется построчно, сверху донизу. Требуется два
прохода, чтобы вывести полный кадр, так что частота рав­
на 25 кадров/с. Нечетные строки выводятся при первом
проходе, четные — при втором. Этот метод называется ч е ­
р е с с т р о ч н а я р а з в е р т к а ( i n t e r l a c e d ) , в противо­
положность чему метод вывода изображения на компью­
терном мониторе, создаваемого за один проход, известен
как б е з ч е р е д о в а н и я с т р о к ( p r o g r e s s i v e ) ;
1.3. Мультимедийные данные, их представление и обработка
45
• Франция, Россия и некоторые восточно-европейские стра­
ны используют SECAM, который отличается от системы
PAL только в тонкостях, однако этого достаточно, чтобы
они были несовместимыми;
• США и Япония используют систему NTSC (525 строк и
~ 30 кадров/с, последствие того факта, что частота тока здесь
составляет 60, а не 50 Гц как в Европе). Система NTSC ис­
пользует 525 строк. Кадр формата NTSC обычно перево­
дится в цифровую форму размером 640 х 480 пикселей, ко­
торый точно соответствует разрешению VGA (это — не
случайное совпадение, а результат того, что IBM PC, впер­
вые разработанные в США, как первоначально предполага­
лось, могли бы использовать телевизоры в качестве мони­
торов).
Чтобы хранить визуальную информацию в цифровой форме,
аналоговый видеосигнал должен быть переведен в цифровой эк­
вивалент, процесс преобразования известен как оцифровка, или
в и д е о з а х в а т . Так как компьютеры имеют дело с цифровой
графической информацией, никакой другой специальной обра­
ботки данных не требуется, чтобы в дальнейшем выводить это
цифровое видео на компьютерный монитор.
Сжатие видеоинформации. Методы с потерями уменьшают
объем потока данных — как путем сложного математического
кодирования, так и через намеренную выборочную потерю визу­
альной информации, которую человеческий глаз или мозг обыч­
но игнорирует, и могут вести к снижению качества фильма.
Сжатие «без потерь», наоборот, удаляет только избыточную ин­
формацию. Кодеки обеспечивают отношения сжатия в пределах
от слабого (2 : 1) до очень сильного (100 : 1), создавая возмож­
ность иметь дело с огромным количеством видеоданных.
Охарактеризуем вкратце группу форматов MPEG. Эти стан­
дарты созданы и продолжают развиваться организацией Motion
Picture Expert Group (M PEG), которая входит в подкомитет Ме­
ждународной организации по стандартизации (ISO). При этом
используется алгоритм JPEG для того, чтобы сжать индивиду­
альные кадры, затем устраняются избыточные данные, которые
остаются неизменными в последовательных кадрах. Алгоритмы
MPEG асимметричны — требуется больше времени для сжатия
видео, чем для восстановления исходного сигнала.
Формат M-JPEG (CinePack) основан на сжатии каждого кадра
из видеопоследовательности ( i n t r a f r a m e c o m p r e s s i o n —
46
Глава 1. Основные принципы построения и функционирования..
внутрикадровое сжатие). Стандарт MPEG использует как
i n t r a f r a m e , так и i n t e r f r a m e c o m p r e s s i o n (межкадровое сжатие). При межкадровом сжатии задаются опорные кадры,
а последующие и предыдущие вычисляются на их основе.
Стандарт MPEG-2 определяет три типа кадров, для каждого
из которых предусмотрен свой вид кодирования:
• 1-кадры (Intra Frames) — опорные кадры, которые являют­
ся основными и кодируются без обращения к другим кад­
рам, т. е. с использованием информации только этого кад­
ра. Вид кодирования — внутрикадровый;
• Р-кадры (Predicted) — закодированные относительно пре­
дыдущих I- или Р-кадров. Кодирование выполняется с ис­
пользованием алгоритмов компенсации движения и пред­
сказанием «вперед» по предшествующим I- и Р-кадрам.
Они сжаты в 3 раза сильнее, чем 1-кадры, и служат опор­
ными для последующих Р- и В-кадров;
• В-кадры (Bidirectionally Predicted) — закодированные отно­
сительно предыдущих и последующих кадров, т. е. с двуна­
правленным предсказанием и компенсацией движения.
В-кадры имеют наибольшее сжатие.
Полученные кадры объединяются в г р у п п ы п о с л е д о в а ­
т е л ь н ы х к а д р о в (GOP — group of pictures). Каждая последо­
вательность начинается с 1-кадра и состоит из переменного чис­
ла Р- и В-кадров.
В табл. 1.10 приводятся характеристики некоторых видео­
форматов [4].
Таблица 1.10. Характеристики некоторых видеоформатов
Формат
Характеристики
M-JPEG
Motion JPEG («движущийся JPEG»). При частоте обработки 50 фото в секунду
можно достигнуть качества VHS в цифровом видео
MPEG-1
Принят в 1992 г. как ISO 11172, является цифровым аналогом видеоформата
VHS. Размер кадра составляет 325 х 288 при оцифровке сигналов PAL и
SECAM, и 352 х 240 — для NTSC. Характерные значения потоков лежат в диа­
пазоне от 0,5 до 3 Мбит/с
MPEG-2
Принят в 1994 г., предназначен для получения более качественного изображе­
ния при более высокой скорости передачи. При потоках 3— 10 Мбит/с с пол­
ным разрешением, составляющим 720 х 576 для PAL и 720 х 480 для NTSC,
качество изображения сопоставимо с видеофильмами формата S-VHS и Hi-8.
Совместим с MPEG-1, принят стандартом для DVD
1.3. Мультимедийные данные, их представление и обработка
47
Окончание табл. 1.10
Формат
Характеристики
MPEG-3
Стандарт кодирования сигналов телевидения высокой четкости (ТВЧ, HDTV).
Включен в MPEG-2 и как самостоятельный стандарт перестал использоваться
MPEG-4
Может поддерживать смешивание сигналов, позволяя сочетать видеоСи аудио) запись с их машинно-генерируемыми аналогами. Предназначен для
передачи видеоданных в низкоскоростных системах мультимедиа и видеокон­
ференций по цифровым телефонным каналам. В этом случае используется
стандарт развертки с четкостью, в 4 раза меньшей, чем в стандарте MPEG-1
MPEG-7
«Мультимедиа-интерфейс для описания содержимого» (Multimedia Content
Description Interface), стандартизует описание мультимедийного материала
DV
Формат цифрового видео (Digital Video). Предназначен для прямой записи ви­
део в цифровом виде. Кадр в DV стандарта PAL содержит 576 строк по 720,
причем пиксель имеет прямоугольную форму (соотношение сторон 1,067 в от­
личие от М-JPEG с квадратным пикселем) и содержит значения YUV
MiniDV
Мини-цифровое видео — лента, 1/12 от размера стандартной пленки VHS, по­
зволяет записать 1 час в формате SP (standard play) при горизонтальном раз­
решении до 500 пиний
Digita!8
Промежуточный между 8 мм ипи Hi-8 и MiniDV — запись почти в том же са­
мом качестве, как для MiniDV, но на пенты 8 мм и Hi-8, которые имеют размер
1/4 размера VHS и вместимость до 1 часа
MICROMV
Использует MPEG-2 при записи сигналов качества DV на ленты, размер кото­
рых составляет 70 % от кассет MiniDV, при скорости в 12 Мбит/с
DivX
Базируется на видео MPEG-4 со звуком MP3. В формате DivX кинофильм со­
ставляет от 10 до 20 % от размера оригинала DVD, и DVD-фильм на
80— 90 мин занимает приблизительно 650 Мбайт в разрешении 640 х 480
DVD
Первая цифровая камера, способная к записи на носитель DVD, появилась ле­
том 2000 г. Преимущество формата DVD — способность к прямой выборке
видео и непосредственному переходу к определенным сценам видеозаписи,
что экономит время и ресурсы, затрачиваемые на запись/редактирование
На сегодняшний день большинство видеокамер работают в
формате DV либо MPEG-2. Например, серия видеокамер MV
(диск mini-DVD) позволяет писать в формате MPEG-2 с фикси­
рованным потоком 12 Мбит/с. Вешание со спутников также осу­
ществляется в формате MPEG-2, что позволяет в одной полосе
стандартного аналогового сигнала разместить 4 цифровых с улуч­
шенными характеристиками и встроенной защитой от несанк­
ционированного просмотра. Наземное вещание цифрового ТВ
планируется в России в 2010 г., в Европе запланировано на 2006 г.
48
Глава 1. Основные принципы построения и функционирования...
Основные технические характеристики форматов цифрового
видео приводятся в табл. 1.11.
Таблица 1.11. Форматы цифрового видео
Формат
[
Характеристики
-
Стандартен или нет
Разрешение
NTSC/PAL
VCD
SVCD
X(S)VCD
DivX
DV
DVD
Да
Да
Нет
Нет
Да
Да
352 х 240, 480 х 480,
352 х 288 480 х 456
720 х 480,
720 х 576
или менее
640 х 480 720 х 480, 720 х 480,
или менее 720 х 576 720 х 576
Видеосжатие
MPEG-1
MPEG-2
MPEG-1
или MPEG-2
MPEG-4
DV
MPEG-2
Аудиосжатие
MPEG-1
MPEG-1
MPEG-1
MP3 WMA
DV
MPEG-2
АС-3
Поток данных,
Мбайт/мин
10
10— 20
5— 20
1— 10
216
30— 70
Совместимость
DVD-плейеров
Очень
хорошая
Хорошая
Хорошая
Нет
Нет
Высокая
Использование
мощности ЦП
Низкое
Высокое
Высокое
Очень
высокое
Высокое
Очень
высокое
Хорошее
Очень
хорошее
Очень
хорошее
Очень
хорошее
Высокое
Высокое
Качество
1.4. Передача данных
Канал передачи — это комплекс технических средств и среды
распространения, обеспечивающий передачу сигнала электро­
связи в определенной полосе частот или с определенной скоро­
стью передачи между сетевыми станциями и узлами.
В цифровых системах используются двоичные сигналы
(рис. 1.8, а), имеющие значения «+», «О» или «+» и «-». Вместе с
тем, при передаче данных в большинстве случаев применяются
троичные сигналы (рис. 1.8, б) со значениями «+», «О» и «-».
Здесь «единица» представляется отсутствием потенциала в кана­
ле, тогда как «нуль» характеризуется положительным либо отри­
цательным импульсом. При этом полярность импульсов, пред­
ставляющих «нули», должна чередоваться, т. е. за положитель-
1.4. Передача данных
М
0
1 0
1 1 0
1
о
[+]
49
0 1 0
0
1 1 0
0 1
[0] -
Рис. 1.8. Примеры последовательных дискретных сигналов:
а — двоичный; 6 — троичный
ным («+») импульсом должен следовать отрицательный («-»), и
наоборот. В случае троичного сигнала осуществляется не только
кодирование передаваемых данных, но также обеспечивается
синхронизация работы канала и проверка целостности данных.
Реальный импульсный сигнал (рис. 1.9) характеризуется ам­
плитудой U0, длительностью импульсов /и, передним фронтом /ф1,
задним фронтом
и периодом повторения Т. Отношение дли­
тельности периода Т к длительности импульсов Ги называется
скважностью.
а
6
Рис. 1.9. Элементы импульсного сигнала (а); искажение импульсов в длинных
линиях (б)
Дискретные сигналы по сравнению с аналоговыми, имеют
ряд важных преимуществ: помехоустойчивость, легкость восста­
новления формы, простоту аппаратуры передачи.
Однако при передаче цифровых (импульсных) данных на
большие расстояния по обычным проводам начинают сказы­
ваться эффекты так называемых «длинных линий», впервые об­
наруженные при прокладке трансатлантического кабеля для те­
леграфной связи Европа—Америка. Сигналы расплываются, на­
кладываются друг на друга, создают помехи и подвержены
4-
1814
50
Глава 1. Основные принципы построения и функционирования...
внешним воздействиям (рис. 1.9, б). Для избежания данных эф ­
фектов необходимо использование кабелей связи с высокой про­
пускной способностью, а также установка на линии электрон­
ных устройств, корректирующих передаваемые сигналы.
Техническое ограничение по длине соединительного кабеля
П К—П К (по интерфейсу RS-232, см. гл. 2) составляет 15,24 м.
На практике это расстояние зависит от скорости передачи дан­
ных и может быть значительно больше (табл. 1.12).
Таблица 1.12. Параметры линии связи ПК—ПК
I
Скорость передачи, бон
Максимум длины
экранированного кабеля, м
Максимум длины
неэкранированного кабеля, м
1
Менее 300
1524
914
1200
914
914
|
2400
304
152
|
4800
304
76
|
9600
76
76
Модуляция
Кроме преобразования аналогового сигнала в цифровой (см.
рис. 1.1), модуляция используется и для преобразования цифро­
вого в аналоговый — в основе передачи цифровой информации
с помощью аналоговых сигналов (радиосвязь, световое излуче­
ние, телефонные линии) лежит изменение основного аналогово­
го сигнала определенным образом так, чтобы закодировать в
этом сигнале информацию (модуляция). Сигнал, который моду­
лируется, называют с и г н а л о м н е с у щ е й (career), потому
что он переносит цифровую информацию с одного конца канала
связи к другому.
Амплитудная модуляция (AM) изменяет амплитуду синусои­
дальной волны. В самых ранних модемах преобразование заклю­
чалось в передаче синусоидальных волн большой (для «1») и нуле­
вой (для «0») амплитуды, как показано на рис. 1.10, а (вспомните
звуковую «морзянку»). Главное преимущество этой технологии
состоит в том, что такие сигналы легко создаются и обнаружива­
ются, однако она не лишена ряда недостатков. Первый — ско-
1.4. Передача данных
51
Рис. 1.10. Амплитудная модуляция (а); частотная модуляция (б):
1 — дискретный сигнал; 2 — несущий сигнал; 3 — модулированный несущий
сигнал
рость изменяющейся амплитуды ограничена шириной полосы
линии. Второй — небольшие изменения амплитуды будут отли­
чаться ненадежным обнаружением.
Частотная модуляция — ЧМ (Frequency Modulation — FM),
частота сигнала несущей изменяется согласно данным. Передат­
чик посылает различные частоты для «1» и «0» (рис. 1.10, б). Н е­
удобства метода в том, что скорость изменений частоты ограни­
чена шириной полосы линии и то, что искажение, вызванное
линиями, затрудняет обнаружение даже более чем в случае ам­
плитудной модуляции.
Другие виды модуляции. Кроме перечисленных, известны
также;
• ф а з о в а я м о д у л я ц и я (ФМ, Phase Shift Keying —
PS К) — процесс, где две синусоидальных формы волны
сравниваются друг с другом и два состояния фазы позволя­
ют представлять 1 бит цифровых данных;
• д и ф ф е ре н ц и ал ь н о - ф а з о в а я м о д у л я ц и я (ДФМ,
Differential Phase Shift Keying — DPSK, синоним — относи­
тельная фазовая модуляция — ОФМ), где сдвигается фаза
каждого последующего сигнала на некоторое количество
градусов (90°) для «0» и на другое число (270°) для «1». При
использовании двух величин сдвига фазы, модуляцию на­
зывают двойной ФМ (Binary PSK — BPSK);
• к в а д р а т у р н а я а м п л и т у д н а я м а н и п у л я ц и я (КАМ,
Quadrature Amplitude Modulation — QAM), позволяет пере­
52
Глава 1. Основные принципы построения и функционирования.
дачу данных, используя как изменение фазы, так и ампли­
туды, одновременно;
• т р е л л и с - м о д у л я ц и я (ТСМ — Trellis Coded Modu­
lation или СКК — Сигнально-кодовые конструкции) —
КАМ совместно с решетчатым кодированием и т. д.
Мультиплексирование и демультиплексирование
Мультиплексирование — операция преобразования парал­
лельного кода в последовательный (или «более параллельного» в
«менее параллельный», например от 24-разрядной шины на
шину в 16 разрядов). В каждый момент времени здесь происхо­
дит передача сигналов с одной из входных линий в выходную
(рис. 1.11, а). Выбор входной линии производится управляющим
кодом, поступающим на входы мультиплексора, т. е. в мультип­
лексорах различают у п р а в л я ю щ и е и и н ф о р м а ц и о н н ы е
входы. Если управляющих кодов к, то информационных ко­
дов 2*. Мультиплексор обеспечивает временное объединение ка­
налов и является основным узлом, реализующим аппаратную
функцию передачи данных.
2
zr 2
h
20
я
q;
Dl
—
^
Do
Ч
I* 4
« £ *0
§з Н
МС
}|
2 со
о.
и 9X
2
Ш
%
X
DM
А
л?
хк
2
\- 3
2
m
и - х0
Рис. 1.11. Мультиплексор (а); демультиплексор (б):
Демультиплексор. Это узел, выполняющий функцию, обрат­
ную функции мультиплексора, используется для временного
разделения по каналам информации, поступающей от одного
источника и осуществляющий передачу информации, поступаю­
щей на общий вход на одну из выходных линий (рис. 1.11, б).
Выбор линии выхода производится на основе кода, поступаю­
щим на управляющие входы демультиплексора, т. е. он имеет
одну информационную линию и несколько управляющих.
1.4. Передача данных
53
Методы передачи данных
При обмене данными по каналам используются три метода
передачи данных:
• симплексная (однонаправленная) передача (телевидение,
- радио);
• полудуплексная (прием и передача информации осуществ­
ляются поочередно);
• дуплексная (двунаправленная), каждая станция одновре­
менно передает и принимает данные.
Для передачи данных в информационных системах наиболее
часто применяется последовательная передача. Широко исполь­
зуются следующие методы последовательной передачи — а с и н ­
хронная и синхронная.
При асинхронной передаче каждый символ передается от­
дельной посылкой (рис. 1.12, а, формат фрейма RS-232). После­
довательная передача данных состоит в побитовой пересылке
каждого байта цифровой информации, в форме кадра данных,
содержащего сигнал начала передачи (ST), сигнал окончания
передачи ( s p ) и информационные биты.
Стартовый бит
(Start)
Биты данных
Бит четности
(Parity)
Стоповые биты
(Stop)
ST
SP
Время
а
Биты
синхронизации
Контрольный
код
Байты данных (передаваемые символы)
$1' |У2-,ЬЗ~|<'4
|
------------------------------------- Время
Символ конца
передачи
CRC
----------------------------------►
б
Рис. 1.12. Асинхронная (а) и синхронная (б) передача данных
После начала передачи передаются информационные биты —
вначале младшие, потом старшие. Иногда используется кон­
трольный бит Р, которому присваивается такое значение, чтобы
общее число единиц или нулей было четным или нечетным. Это
используется для контроля правильности передачи кадра. Прием­
ное устройство проверяет кадр на четность и при несовпадении с
ожидаемым значением передает запрос о повторе передачи кадра.
Глава 1. Основные принципы построения и функционирования..
54
При использовании синхронного метода данные передаются
блоками (рис. 1.12, б ). Для синхронизации работы приемника и
передатчика в начале блока передаются биты синхронизации.
Затем передаются данные, код обнаружения ошибки и символ
окончания передачи. При синхронной передаче данные могут
передаваться и как символы, и как поток битов. В качестве кода
обнаружения ошибки обычно используется циклический избы­
точный код обнаружения ошибок.
Пакеты данных. Обычно довольно редко передача осуществ­
ляется отдельными символами (байтами), чаще передача осуще­
ствляется пакетами (кадрами, фреймами) определенного форма­
та. Форматы представления данных могут различаться по сле­
дующим признакам:
• порядок следования битов и размерность символа в битах;
• порядок следования байтов;
• представление и кодировка символов;
• структура и синтаксис файлов.
Байты
6
6
6
2
Преамбула
Адрес
назначения
Исходящий
адрес
Длина блока
данных
0—1500
Заголовок протокола,
данные
Рис. 1.13. Формат кадра (фрейма) IEEE 802.3
На рис. 1.13 приводится пример пакета данных формата
IEEE 802.3, принятого в сетях Ethernet. Компрессия или упаков­
ка данных сокращает время передачи данных. Кодирование пе­
редаваемой информации обеспечивает защиту ее от перехвата.
1.5. Классы и принципы построения периферийных
устройств
В табл. 1.13 приводятся классификации периферийных уст­
ройств по различным критериям. Охарактеризуем вкратце прин­
ципы построения основных классов устройств в соответствии с
их назначением: хранение, представление, ввод и вывод данных.
Ниже будут рассмотрены принципы построения и прототипы
основных классов внешних устройств ЭВМ, которые имеют свою
основу в длительной истории развития технических средств обра­
ботки, хранения, представления информации.
1.5. Классы и принципы построения периферийных устройств
55
Таблица 1.13. Классы периферийных устройств
Признак класси­
фикации
Назначение
Типы устройств
Ввод
Вывод
Хранение
Интерактивные Мультимедиа
устройства
Вид обрабаты­ Символьная
ваемой инфор­ (текст, числа)
мации
Графическая
растровая
Графическая
векторная
Аудио
Конфигурация
носителей
Карты
(ПК, флзш)
Ленты
(ПЛ, МЛ)
Диски жесткие Диски гибкие
(НМД, CD)
(дискеты)
Физические
принципы на­
копителей
Механические Магнитные
(карты,
(НМД, НМЛ)
Milliped)
Механо-оптические (CD,
DVD)
Твердое тело
(SRAM, флэш)
Плазменные
устройства
Светодиодные
приборы
Физические
Электрон­
принципы уст­ но-лучевые
ройств отобра­ трубки
жения
Жидкие
кристаллы
Физические
принципы уст­
ройств ввода
Символьные
контактные
устройства
(клавиатура)
Векторные
Растровые уст­
устройства
ройства (ска­
(мышь, план­ нер, камера)
шет)
Физические
принципы уст­
ройств вывода
Ударные
принтеры
Фотоэлектри­ Чернильные
ческие
Твердочер­
нильные
Используемый
интерфейс
Внутренний
(АТА, SCSI)
Последова­
тельный
(RS-232)
Высокоскоро­
стной (USB,
Fireware)
Параллельный
(Centronix)
Видео
Сменные/по­
стоянные
Низкоскоро­
стной (DIN,
PS/2)
Устройства хранения информации
Устройства хранения и соответствующие носители (магнит­
ные) появляются на том этапе развития средств вычислительной
техники, когда емкости оперативной памяти оказывается недос­
таточно для размещения промежуточных данных, вырабатывае­
мых в процессе работы программы. Немного ранее появляются
устройства и носители для ввода-вывода и архивного хранения
больших массивов данных (перфоленты и перфокарты).
Общая технологии магнитных носителей. Фирма IBM 13 сен­
тября 1956 г. объявила о создании первой дисковой системы
хранения данных — 305 RAMAC (Random Access Method of
56
Глава 1. Основные принципы построения и функционирования..
Accounting and Control). Эта система могла хранить 5 млн симво­
лов (5 Мбайт) на 50 дисках диаметром 24 дюйма (около 61 см).
В отличие от ленточных устройств хранения данных, в системе
RAMAC запись осуществлялась с помощью головки на произ­
вольное место поверхности диска (рис. 1.14, а).
а
б
Рис. 1.14. Ранние образцы дисковых магнитных накопителей (НМД, НЖМД):
а — IBM RAMAC (1956 г.); б — сменный пакет магнитных дисков IBM 3336,
объем 200 Мбайт ( I 9 6 0 - 1980-е гг.)
При записи каждого бита (или битов) данных в специальных
областях на диске располагаются последовательности зон смены
знака. Эти области называются битовыми ячейками. Геометриче­
ские размеры такой ячейки зависят от тактовой частоты сигнала
записи и скорости, с которой перемещаются относительно друг
друга головка и поверхность диска.
Ячейка перехода — это область, в которую можно записать
только одну зону смены знака. При записи отдельных битов дан­
ных или их групп в ячейках формируется характерный «узор» из
зон смены знака и в процессе переноса данных на магнитный
носитель каждый бит (или группа битов) с помощью специаль­
ного кодирующего устройства преобразуется в серию электриче­
ских сигналов, не являющихся точной копией исходной после­
довательности импульсов.
Основной характеристикой накопителей на магнитных носи­
телях является п о в е р х н о с т н а я п л о т н о с т ь з а п и с и
(рис. 1.15, а), определяемая как произведение линейной плотно­
сти записи вдоль дорожки, выражаемой в битах на дюйм (bits per
inch — bpi) или ftpi (flux transactions per inch, число изменений
магнитного поля), и количества дорожек на дюйм (tracks per
1.5. Классы и принципы построения периферийных устройств
57
Поверхностная плотность
►“ Дорожек на дюйм (TPI)
а
б
Рис. 1.15. Поверхностная плотность записи (а) и ее эволюция (б)
inch — tpi). В результате поверхностная плотность записи выра­
жается в Мбит/дюйм2 или Гбит/дюйм2.
Поверхностная плотность записи постоянно увеличивается.
После появления первого устройства магнитного хранения дан­
ных (IBM RAMAC) рост поверхностной плотности записи дос­
тигал 25 % в год, а с начала 1990-х — 60 %. Разработка и внедре­
ние магниторезистивных (MR, 1991 г.) и гигантских магниторе­
зистивных (GMR, 1997 г.) головок еще больше ускорили рост
поверхностной плотности записи. За 45 лет, прошедших с мо­
мента появления первых устройств магнитного хранения дан­
ных, поверхностная плотность записи выросла более чем в пять
миллионов раз (рис. 1.15, б). Рассмотрим основные технологии
магнитной записи.
Поверхностная (параллельная) магнитная запись. В течение
порядка 50 лет производители магнитных накопителей (как на
MJI, так и на МД) использовали почти исключительно метод,
именуемый п а р а л л е л ь н о й м а г н и т н о й з а п и с ь ю (longi­
tudinal magnetic recording, LMR), в которой вектор намагниченно­
сти для каждого бита информации (элементарной области намаг­
ниченности, или м а г н и т н о г о д о м е н а ) расположен парал­
лельно поверхности носителя (пленки или диска) — рис. 1.16, о.
В то время как в исторической ретроспективе поверхностная
плотность записи удваивалась приблизительно каждый год
(рис. 1.15), в конце концов скорость этого роста замедлилась и,
58
Глава 1. Основные принципы построения и функционирования..
как это оценивают специалисты, технология LMR (из-за суперпарамагнитного эффекта) вряд ли сможет обеспечить плотность
выше 100—200 Гбит/дюйм2.
Этот вывод привел к росту усилий по преодолению суперпарамагнитного эффекта, и была предложена технология п е р п е н ­
д и к у л я р н о й м а г н и т н о й з а п и с и (perpendicular magnetic
recording, PMR) как решение, которое может удвоить плотность
записи НЖМД в самое ближайшее время и обеспечить в дальней­
шем более чем 10-кратный ее прирост.
В LMR зоны намагниченности (домены, или «микромагни­
ты») лежат горизонтально и в случае высокоинформативного
сигнала, когда частота чередования «1» и «0» велика, сплошь и
рядом возникают точки, в которых полярности «микромагнитов»
противоположны, что требует их разграничения, или наличия
«области перехода» (рис. 1.16, а).
Намагниченность
а
Магнитомягпий
слой
б
Рис. 1.16. Технологии магнитной записи:
а — параллельная магнитная запись (LMR); 6 — перпендикулярная (PMR)
Поскольку противоположные полюса отталкиваются, с по­
вышением плотности записи и уменьшением ширины области
перехода возникает опасность самопроизвольного «переворачи­
вания микромагнитов» (особенно под влиянием теплового дви­
жения молекул) и разрушения информации.
Перпендикулярная магнитозапись (PMR). В этом случае бито­
вые «микромагниты» расположены вертикально, или перпенди­
кулярно поверхности диска (рис. 1.16, б). Поскольку векторы
намагниченности не направлены «друг на друга», потребность в
области перехода значительно сокращается. Это позволяет осу-
1.5. Классы и принципы построения периферийных устройств
59
ществить более плотную упаковку битов и получать более «ост­
рые» сигналы перехода, облегчая обнаружение разрядов и ис­
правление ошибок, а это — возможность для более высоких зна­
чений поверхностной плотности записи.
'
Основой данного подхода является, во-первых — использо­
вание для записи материала с более высокой коэрцитивной си­
лой (большая остаточная намагниченность), а во-вторых — раз­
мещение под ним слоя магнитомягкого материала, осуществ­
ляющего замыкание силовых линий пишущего элемента головки
устройства (фактически он работает как часть пишущей голов­
ка). Этот слой относительно толст, так что он усложняет конст­
рукцию плаггеров (дисков) НЖМД и затрудняет использование
PMR в магнитных лентах.
Фирма Hitachi Global Storage Technologies в лабораторных
испытаниях получила осенью 2005 г. поверхностную плотность
записи в 345 Гбит/дюйм2 (это обеспечивает емкость в 1 Тбайт
для диска 3,5"). Предполагается, что НЖМД в 3,5” для настоль­
ных ПК емкости 2 Тбайт может быть выпущен в 2009 г. В конеч­
ном итоге прогнозируется, что методика PMR в течение ближай­
ших 20 лет обеспечит повышение поверхностной плотности за­
писи до 100 Тбит/дюйм2.
Оптико-механические устройства. К данному классу накопи­
телей (и устройств ввода-вывода) относятся устройства, исполь­
зующие механический принцип нанесения информации на сре­
ду хранения, и оптическое считывание. Как ни парадоксально,
но сюда следует отнести как «стародавние» среды хранения (пер­
фокарты и перфоленты), так и новейшие средства оптического
накопления информации (CD и DVD) — рис. 1.17.
В то время как нанесение информации на перфоленты или
перфокарты осуществляется действительно механическим путем
(пробИвка отверстий), принципы записи на CD/DVD назвать
«механическими» можно только весьма приближенно — это и
штамповка (отливка) углублений («питов», от англ. pit) на поверх­
ности диска (при изготовлении CD ROM, памяти «только для
считывания»), и «выжигание» (burning) лучом лазера отметок в за­
писывающем («регистрирующем») слое, которое либо разрушает
материал, либо изменяет прозрачность, коэффициент отражения,
преломления и другие оптические свойства микроучастков диска
(технологии CD-R, CD-RW, DVD±R, DVD±RW и пр.).
Во всех случаях считывание информации осуществляется оп­
тическим путем (первые образцы перфоносителей использовали
60
Глава 1. Основные принципы построения и функционирования..,
Рис. 1.17. Оптико-механические накопители информации:
а — перфокарты; б — перфолента; в — CD; г — DVD
электромеханическое считывание путем замыкания контактов
щупов).
Транзисторные (твердотельные) запоминающие устройства.
Данный тип накопителей строится по принципам, схожим с по­
строением оперативной памяти и элементов микропроцессоров.
Т е х н о л о г и и э л е к т р о н н ы х с х е м . Наиболее часто ис­
пользуемыми в электронике полупроводниками являются крем­
ний и германий. На их основе путем внедрения примесей в оп­
ределенных точках кристаллов создаются разнообразные полу­
1.5. Классы и принципы построения периферийных устройств
61
проводниковые элементы. В настоящее время используется
несколько технологий построения логических элементов:
• транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ, TTL);
• логика на основе комплементарных МОП-транзисторов
(КМ ОП, CMOS);
•„логика на основе сочетания комплементарных МОП- и би­
полярных транзисторов (BiCMOS).
Обычный транзистор представляет собой простейшее устрой­
ство, размещающееся в слое кремниевой пластины и функцио­
нирующее как электронный ключ (рис. 1.18, а). Он содержит три
вывода — исток (эмиттер), сток (коллектор) и затвор (база). Ис­
точник и сток образуются путем внедрения в поверхность крем­
ния определенных примесей, а затвор содержит материал, име­
нуемый полисиликоном. Ниже затвора расположен слой диэлек­
трика, изготовленного из диоксида кремния. Данная структура
получила название «кремний-на-изоляторе» (SOI, silicon-oninsulator). Когда к транзистору приложено напряжение, затвор
«открыт» и транзистор пропускает ток. Если напряжение снято,
затвор «закрыт» и тока нет.
Плавающий затвор,
сохраняющий заряд
о
6
Рис. 1.18. Обычный транзистор микросхемы (о); схема запоминающего элемента
флэш-накопителя (б)
Входные и выходные сигналы «1» представляются высоким
уровнем напряжения на коллекторе транзистора (практически
равным напряжению питания). Сигналу «О», наоборот, соответ­
ствует низкий уровень выходного напряжения.
Поскольку, например, в большинстве современных персо­
нальных компьютеров напряжение питания составляет 3,3 В
(в более ранних версиях, до Pentium, — 5 В), то выходная «1» за­
дается напряжением 3,3 В.
Основные типы систем оперативной памяти.
В большинстве случаев главная оперативная память (ОП) ЭВМ —
RAM (Random Access Memory, т. e. память с произвольным досту­
62
Глава 1. Основные принципы построения и функционирования.
пом) строится на микросхемах динамического типа ( D R A M —
D y n a m i c R a n d o m A c c e s s M e m o r y ) , где в качестве запо­
минающего элемента (ЗЭ) используется простейшая сборка, со­
стоящая из транзистора и конденсатора.
Каждый бит такой памяти представляется в виде наличия заря­
да на конденсаторе, образованном в структуре полупроводниково­
го кристалла. Конденсатор управляет транзистором. Если транзи­
стор открыт и ток идет, это соответствует «1», если закрыт — «О».
Между периодами доступа к памяти посылается электриче­
ский ток, обновляющий заряд на конденсаторах ( р е г е н е р а ­
ц и я п а м я т и — для поддержания целостности данных (поэто­
му этот тип памяти называется динамическим).
Имеется другой вид памяти, который лишен этого недостат­
ка. Эта память называется статической ( S t a t i c R A M —
SRAM), где в качестве ЗЭ используется так называемый статиче­
ский триггер, который может хранить данные, пока питание по­
дается на схему. Это отличает ее от динамической оперативной
памяти, которая должна регенерироваться с высокой частотой.
Чипы памяти DRAM изготовляются на основе технологии,
сходной с изготовлением процессора, — кремневая основа с на­
несенными примесями обрабатывается с маской, которая обра­
зует множество пар «транзистор—емкость», каждая из которых
размещает 1 бит информации. Стоимость этих схем гораздо
ниже, чем процессоров, поскольку они состоят из однородных
повторяющихся структур, а также дешевле схем SRAM, посколь­
ку каждый бит SRAM требует от четырех до шести транзисторов,
чем и объясняется то обстоятельство, что SRAM занимает на­
много больше места по сравнению с DRAM, которая требует
только один транзистор (плюс конденсатор) на разряд.
Ф л э ш - п а м я т ь (flash memory). Технология ЕТОХ являет­
ся доминирующей флэш-технологией, занимающей около 70 %
всего рынка энергонезависимой памяти. Данные вводятся во
флэш-память побитно, побайтно или по словам с помощью опе­
рации, которая называется п р о г р а м м и р о в а н и е м . Как
только данные введены, они остаются в памяти независимо от
того, подведено питание или нет. Очистка памяти производится
с помощью операции стирания. Количество стираемых за один
раз данных определяется дизайном каждой конкретной реализа­
ции flash и обычно колеблется от 8 Кбит до 1 Мбит.
Элемент, хранящий информацию по технологии ЕТОХ, по­
казан на рис. 1.18, б. Это транзистор, у которого под затвором
1 .5 . Классы и принципы построения периферийных устройств
63
помещен еще так называемый п л а в а ю щ и й з а т в о р (из
электрически изолированного поликремния), позволяющий хра­
нить заряд. Наличие заряда понимается как логический «О»,
а его отсутствие — как логическая «1».
Флэш-память работает одновременно подобно оперативной
памяти и НЖМД. Напоминает обычную память, имея форму
дискретных чипов, модулей или карточек с памятью, где так же,
как в DRAM и SRAM, биты данных сохраняются в ячейках па­
мяти. Однако так же, как НЖМД, флэш-память энергонезависи­
ма и сохраняет данные, даже когда питание выключено.
Устройства отображения информации
Во всех типах устройств отображения информации (УОИ, сюда
относятся мониторы/дисплеи, проекторы и другие индикаторы)
присутствуют три типа функциональных элементов (табл. 1.14):
• активатор (А), являющийся источником энергии, в конеч­
ном итоге преобразующейся в световое излучение изобра­
жения;
• модулятор (М) — устройство управления выводом изобра­
жения;
• визуализатор (В) — среда, в которой формируется видимое
изображение.
Таблица 1.14. Разновидности распределения функций в различных УОИ
Тип устройства отображения информации (УОИ)
Функция
Монитор на ЭЛТ (CRT),
см. рис. 1.19
Микрозеркальный
проектор (DMD)
Активатор
Катод (электронная пушка)
Модулятор
Сетка, отклоняющие катушки, Панель (панели) м и к­
система развертки, маска
розеркал, цветовое
колесо, призмы
Визуализатор Лю миноф ор экрана
Осветитель (лампа,
панель светодиодов)
Рассеивающий экран
Жидкокристаллический
дисплей (LCD)
Осветитель (лампа)
Ж идкокристалличе­
ские ячейки
То же
Эти элементы могут быть частично или полностью совмеще­
ны (интегрированы), и таким образом, можно выделить по
меньшей мере четыре класса УОИ (табл. 1.15).
64
Глава 1. Основные принципы построения и ф ункционирования..
Таблица 1.15. Основные классы УОИ
Сочетание функций
Примеры
Особенности конструкции
А -> М - > В
Активатор отделен от модулятора и от
визуализатора
М онитор на ЭЛТ, большинство
мультимедийных проекторов
А - » MB
Активатор отделен от модулятора, ин­
тегрированного с визуализатором
Ж идкокристаллические дисплеи
А М -*В
Активатор интегрирован с модулято­
ром и отделен от визуализатора
Проекторы на базе электрон­
но-лучевых трубок (ЭЛТ)
AM В
Активатор, модулятор и визуализатор
совмещены
Светодиодные экраны
Подавляющее большинство мониторов сконструированы на
базе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), и принцип их работы
аналогичен принципу работы телевизора (рис. 1.19, а). ИспольВ нутренний
б
в
Рис. 1.19. М онитор на ЭЛТ:
а — общее устройство; б, в — разновидности микроструктур люминофорных
покрытий экрана
1 .5 . Классы и принципы построения периферийных устройств
65
зуемая в этом типе мониторов технология была разработана
много лет назад и первоначально создавалась в качестве специ­
ального инструментария для измерения переменного тока, т. е.
для осциллографа.
Принцип действия мониторов на основе ЭЛТ заключается в
том,"что испускаемый электронной пушкой пучок электронов,
попадая на экран, покрытый специальным веществом — люми­
нофором, вызывает его свечение (рис. 1.19, б, в). Конструкция
ЭЛТ-монитора представляет собой стеклянную трубку, внутри
которой находится вакуум. С фронтальной стороны внутренняя
часть стекла трубки покрыта люминофором — веществом, кото­
рое испускает свет при бомбардировке частицами. В качестве
люминофоров для цветных ЭЛТ используются довольно слож­
ные составы на основе редкоземельных металлов — иттрия, эр­
бия и других. Эти светящиеся точки люминофора формируют
изображение на мониторе.
УОИ представляет собой неотъемлемую часть т е р м и ­
н а л ь н о г о у с т р о й с т в а (терминала).
Интерактивные устройства
Понятие терминала (DTE — оконечное оборудование дан­
ных) в соответствии с телекоммуникационными стандартами от­
носится к сочетанию устройств ввода и вывода информации (на­
пример сканер и принтер и т. п.), однако чаще всего под терми­
налом понимается оконечное устройство ЭВМ, предназначенное
для диалога «человек—машина». Известны также более специа­
лизированные устройства — банкоматы, кассовые аппараты со
сканерами штрих-кода и т. д.
Терминалы — это диалоговые или интерактивные устройства,
предназначенные для ввода/вывода небольших количеств ин­
формации, первоначально с целью управления вычислительным
процессом и наблюдения за его ходом, а в дальнейшем — также
для ввода-вывода исходных данных и результатов работы про­
грамм.
Первоначально в ЭВМ в качестве терминалов использова­
лись механические устройства, заимствованные из смежных тех­
нологий (связь и оргтехника), телетайпы (типа ТА-67), телеграф­
ные аппараты (рис. 1.20, а), электрические пишущие машинки
(ПМ). Это был довольно длительный период, в течение которого
5-
1814
66
Глава 1. Основные принципы построения и ф ункционирования...
)
а
Рис. 1.20. Первые образцы терминалов:
а — телетайпный аппарат 33-ASR; б — сетевой терминал Minitel
сложились определенные стандарты, приемы работы оператора и
протоколы ввода-вывода и интерпретации данных. Строка ин­
формации, вводимая оператором, являлась, как правило, коман­
дой, требующей выполнения определенных действий от ЭВМ
(ОС). Конечная ширина листа (или бумажной ленты) ПМ
(80 знаков) ограничивала длину возможных команд. Признаком
окончания ввода команды являлось нажатие клавиши <ВК> (воз­
врат каретки, она же <CR> — < C a rriage R eturn>, <R eturn>,
<E nter> и пр.). Реакция системы (ответ на запрос, сообщение об
ошибке, небольшая порция выходных данных) также выводилась
строками по 80 символов, образуя вместе с копиями команд про­
токол диалогового сеанса (или журнал — lo g ) в бумажной форме.
Низкие скорость обмена информацией с ЭВМ и надежность
механических терминалов, а также трудности с исправлением
информации (редактированием) ограничивали их применимость
и, в частности, делали бессмысленным их использование пользователями-программистами для отладки программ и прочих ма­
нипуляций.
В ранних версиях операционной системы OS/360 и других
систем того времени единственный механический терминал ус­
1 .5 . Классы и принципы построения периферийных устройств
67
танавливался в машинном зале и предназначался для оператора
Э В М . Это устройство получило название консоль1 (console).
Появление в начале 1970-х гг. элеюронных терминалов, спе­
циально разработанных для использования с ЭВМ, привело к
настоящему перевороту в применении машин, существенно при­
близив все типы пользователей к вычислительному процессу,
облегчив разработку и отладку программ, а также эксплуатацию
автоматизированных систем (рис. 1.20, б).
Тип терминала. Под типом терминала понимается возмож­
ность устройства распознавать те или иные управляющие симво­
лы (дополняющие текстовые символы и встречающиеся в пере­
даваемой информации). Наиболее распространены следующие
типы терминалов:
• 11У — является символьным, он не позволяет управлять
цветом экрана и позиционировать курсор в заданном месте
экрана;
• ANSI — более универсальны, являются графическими,
поддерживают положение курсора, цвет символов и фона.
Управление курсором осуществляется ESC-последователь­
ностями;
• VT-52, VT-100 — терминалы фирмы Digital Equipment
Corporation (США) Имеют дополнительные возможности
по управлению экраном и распечатке копии экрана, а так­
же по использованию функциональных клавиш и клавиш
управления курсором под управлением хост-машины.
В ряде телекоммуникационных программ могут встретиться
также другие типы: ANSI-BBS, CompuServe, Bix, Avatar, HEX и пр.
Устройства ввода данных
В конечном итоге, можно выделить три типа устройств ввода
данных, основываясь на видах вводимой информации:
• символьная;
• графическая растровая;
• графическая векторная.
1 К а к и зв е с т н о , в с т р о и т е л ь с т в е и а р х и т е к т у р е к о н с о л ь ю и м е н у ю т
к о н с т р у к ц и ю , с о с т о я щ у ю и з г о р и зо н т а л ь н о й б а л к и , о п и р а ю щ е й с я н а
п о д к о с . И м е н н о т а к в ы г л я д и т с т о л и к д л я П М (пульт операт ора), п р и ­
к р е п л е н н ы й к инж енерному пульт у у п р а в л е н и я б о л ь ш о й Э В М .
68
Глава 1. Основные принципы построения и ф ункционирования...
Ввод символьных данных. Ввод символьной информации осу­
ществлялся всегда с помощью клавиатур (если исключить из
рассмотрения ввод с перфоносителей — см. рис. 1.17, на кото­
рые информация в свою очередь попадала с клавишных уст­
ройств подготовки данных).
Явно подражая по форме панели клавиш пишущей машин­
ки, в западных странах современные компьютерные клавиатуры
содержат символьные и цифровые. Есть дополнительные клави­
ши, обычно отсутствующие на пишущих машинках — функцио^нальные, цифровая панель и т. д., и даже в странах, где исполь­
зуются различные алфавиты или принципы письма, физическое
размещение клавиш часто весьма подобно.
Современные клавиатуры предназначены для ввода текста и
символов, а также управления компьютером. Физически компь­
ютерная клавиатура — массив прямоугольных или почти прямо­
угольных кнопок (клавиш, ключей, buttons, keys) — выключате­
лей, которые при нажатии передают электросигнал. Число кла­
виш может изменяться от 101 (стандарт) и 104 (клавиатура
Windows) до 130 клавиш и более со многими программируемыми
клавишами. Есть также компактные варианты, которые содер­
жат менее чем 90 клавиш.
Рассмотрим вкратце структуру стандартной 101-клавишной
клавиатуры (рис. 1.21).
1.
С и м в о л ь н а я о б л а с т ь . Здесь находятся клавиши, яв­
ляющиеся основными для ПМ и механических терминалов —
строка цифровых клавиш, три строки буквенных клавиш, пробел
( < S p a c e b a r > , < S p a c e > ) . Необходимость совместного использо­
вание символов л а т и н и ц ы (a —z) и к и р и л л и ц ы (а —я)
создает проблему размещения символов по клавишам. Как из­
вестно, месторасположение символов отражает их частоту и со-
ВШВШ т т и
(с«*
JlMk
||м а
|1мк
(У о и ю и и и еи и ш о и &
тш\
н ооои и р^ооосж оои lliii
етй & и и Е ж ай ой ш
■ЩРЁ
ir-lR R R FlFiFIFinfnrrinr^l j s l , ЗыйДЙ
4Ш Г “
i f - r r - ' i Ё1Ш101
SjJ
Рис. 1.21. Структура клавиатуры консоли (101-клавиш ная)
»
:===-)
Eflfer
1.5. Классы и принципы построения периферийных устройств
69
пместную встречаемость в словах соответствующего языка, в
связи с этим отечественные клавиатуры в первой символьной
строке содержат буквы йцукен, англо-американскому стандарту
соответствует строка q w erty (рис. 1.21), континентально-европсйский стандарт — a z e r t y (см. рис. 1.20, б).
Первые отечественные терминалы использовали в качестве
основы размещение ЙЦУКЕН, привязывая к символам кириллицы
соответствующую им по п р а в и л а м т р а н с л и т е р а ц и и ла­
тиницу: й /j, ц /с , у/и, к/к, Е/Е, н/N и т. п. На консоли ПЭВМ
поддерживаются два стандарта, и размещение символов имеет
вид Q /й, w/ц , е/у, R /к, т/Е, y/h, что обычно вводит в транс на­
чинающего пользователя.
2. Ф у н к ц и о н а л ь н а я к л а в и а т у р а (ФК), сохранив­
шаяся как знак преемственности со старыми терминалами, хотя
принципы обмена информацией консоль—ЭВМ здесь таковы,
что необходимость в ней отсутствует ( вся клавиатура является
программно-управляемой). Сложились определенные стандарты
де-факто применения Ф К, например <F1> — Help (Помощь,
подсказка), <F10 — F12> — Q uit (Завершение работы програм­
мы) и т. п.
3 . К л а в и ш и р е д а к т и р о в а н и я — < in s> — включе­
ние/выключение режима вставки символов, <Del> — удаление
символа.
4. У п р а в л я ю щ и е к л а в и ш и (изменяют значение нажи­
маемого одновременно с ними символа):
• < s h i f t > — переключение регистров, имеется также на лю ­
бой ПМ. В буквенной области < s h if t> переключает
строчные символы на заглавные, в цифровой области —
цифры на служебные символы (0 # $ % л и т. п.);
• <CapsLock> — фиксация верхнего регистра, в отличие от
ПМ, действует только на буквенные клавиши;
• < c t r l> — появился впервые на VT100. Позволяет ввести
коды, которым не соответствуют какие-либо обычные сим­
волы. Например, < c tr l+ z > вводит символ EOF — конец
файла',
• < A lt> — появляется на ANSI-терминале. Расширяет воз­
можности < c tr l> . Например, <A lt+2+l+9> вводит! — сим­
вол псевдографики.
5. <Enter> — ввод. Является символом окончания строки,
соответствует клавише <ВК> механического терминала, клави­
ша продублирована.
70
Глава 1. Основные принципы построения и ф ункционирования..
6. М а л а я ц и ф р о в а я к л а в и а т у р а используется в двух
режимах — ввода чисел и управление курсором. Клавиши управ­
ления курсором: « —> — Стрелка влево; <—» — Стрелка
вправо; <Т> —
Стрелка
вверх; <1> —
Стрелка
вниз;
<Ноте> — Начало; <End> — Конец; <PgUp> — Страница назад;
<PgDn> — Страница вперед. Клавиши продублированы. Основ­
ная зона расположена на правом краю клавиатуры и совмещена
со второй цифровой клавиатурой (основная размещена в сим­
вольной области). Переключение регистров на этой клавиатуре
(цифры или управление курсором) осуществляется клавишей
<N u m L o c k> — Зафиксировать цифровой режим. Дубль клави­
шей управления курсором находится левее, перед символьной
областью.
7. К л а в и ш а < E s cape> (Выйти) впервые появляется на
VT100 и реализует выход из текущей программы. Обычно также
программируется и на ПЭВМ.
Чаще всего используется два типа выключателей — м е х а ­
н и ч е с к и й и с р е з и н о в о й м е м б р а н о й . Механические
выключатели являются просто подпружиненными кнопками, ко­
торые замыкают или размыкают контакты (рис. 1.22, а). Мембра­
ны составлены из трех слоев — на первом напечатаны проводя­
щие дорожки, второй — разделитель с отверстиями и третий —
проводник с выступами. Все это покрыто эластичной резиной.
При нажатии клавиши два проводящих слоя совмещаются и за­
мыкают цепь.
Клавиатура с «куполообразными замыкателями» — часто ис­
пользуемая разновидность мембранного типа (рис. 1.22, б, в).
Нажатие клавиши воздействует на резиновый купол, располо­
женный под ней, и проводящий контакт на нижней половине
купола замыкает пару проводников на нижерасположенной схе­
ме. Контрольная микросхема генерирует сканирующий сигнал,
распространяющийся по всем парам линий ко всем клавишам и,
если сигнал в одной из пар изменился, вырабатывает код, соот­
ветствующий нажатой клавише.
Клавиши образуют матрицу, строки и столбцы которой в ито­
ге передают сигнал в чип микроконтроллера клавиатуры, кото­
рый установлен на печатной схеме внутри клавиатуры, и интер­
претирует сигналы встроенной микропрограммой (рис. 1.22, г).
Например, нажатие клавиши с координатами 3 (строка) и в
(столбец), контроллер мог бы расшифровать как «А» и послать со­
ответствующий код на ПК. Эти «скэн-коды» (scan codes) являют-
1 .5 . Классы и принципы построения периферийных устройств
71
Рис. 1.22. Элементы и конструкции клавиатур:
а — принцип работы механической клавиатуры; 6 — куполообразный замы ка­
тель; в — клавиатура мембранного типа; г — координатная М&трииа
ся стандартом для BIOS ПК, хотя адреса строк и столбцов, конеч­
но, являются различными для разных клавиатур.
Ввод векторной графической информации. Мыши, трекболы и
дигитайзеры являются р у ч н ы м и м а н и п у л я т о р а м и и
обычно подключаются к последовательному порту ПК. При пе­
ремещении манипулятора по столу (или планшету) синхронно с
ним по экрану монитора перемешается курсор. Почти все мани­
пуляторы имеют кнопки, используемые для фиксации конкрет­
ной позиции экрана. Эти устройства подразделяются на две кате­
гории — относительные и абсолютные. Относительными являют­
ся, например, мышь (mouse), трекбол (trackball), джойстик
(joystick), точпад (touchpad); абсолютным — дигитайзер (digitizer).
В а б с о л ю т н ы х м а н и п у л я т о р а х при перемещении
указателя в некоторую точку получают ее представление в виде
конкретной позиции экрана или конкретного выбора меню (на­
пример, если нужно выбрать центр экрана, т. е. курсор помес­
тить в центр экрана монитора, необходимо переместить указа­
тель дигитайзера в центр планшета).
72
Глава 1. Основные принципы построения и ф ункционирования..
В о т н о с и т е л ь н о м м а н и п у л я т о р е нельзя указывать
абсолютные позиции. Здесь перемещение экранного указателя
на некоторое расстояние относительно его текущей позиции
можно получить путем перемещения указателя манипулятора на
то же относительное расстояние.
В первой компьютерной мыши, изобретенной Д. Энгельбартом (Станфордский исследовательский центр) в 1963 г., исполь­
зовались два взаимно перпендикулярных колеса, вращение каж­
дого из которых передавало движение по одной из координатных
осей на плоскости (рис. 1.23, а). Устройство было запатентовано
под названием «Указатель координат для системы отображения»
(«Х-Y Position Indicator for a Display System»).
Ввод растровой статической информации. Источниками ста­
тических изображений традиционно являлись растровые скане­
ры, а в последнее время широко используются цифровые фото­
камеры !91
1
fe. / в
*
1
а
W
б
Рис. 1.23. Компьютерная мышь Д. Энгельбарта (о); современные оптические
беспроводные устройства (б)
Прибор с зарядовой связью (ПЗС) или charge coupled device
(CCD) — наиболее популярная технология, лежащая в основе
большинства сканеров и цифровых камер. Первое применение
ПЗС для съемки (матрица 100 х 100 пикселей) было реализовано
в 1974 г.
ПЗС работает подобно электронной версии человеческого
глаза — матрица состоит из миллионов ячеек, известных как
ф о т о т о ч к и или ф о т о д и о д ы , которые преобразуют оптиче­
скую информацию в электрический заряд. Когда кванты света
(фотоны) входят в кремний фотодиода, они выделяют энергию,
приводящую к генерации свободных электронов (фотоэлектрон­
1 .5 . Классы и принципы построения периферийных устройств
73
ный эффект), число которых возрастает с интенсивностью осве­
щения. Если к фотодиоду приложено внешнее напряжение, воз­
никает электрический ток (рис. 1.24, а).
в
Рис. 1.24. Прибор с зарядовой связью (CCD):
а — считывание информации с матрицы ПЗС; б — П ЗС-матрица фотокамеры;
в — П ЗС-линейка сканера
Следующая стадия заключается в прохождении токов через
р е г и с т р с ч и т ы в а н и я . Так образуется последовательность
сигналов, которые передаются на аналого-цифровой преобразо­
ватель.
Фотодиоды матрицы ПЗС реагируют на яркость, а не на цве­
та освещения. Цвет добавляется к изображению посредством
красных, зеленых и синих фильтров, помещенных поверх каж­
дого пикселя. Поскольку человеческий глаз наиболее чувствите­
лен к желто-зеленому диапазону, количество зеленых фильтров
в 2 раза больше, чем красных и синих.
Датчик настольного сканера, как правило, имеет массив (ли­
нейку) из тысяч элементов ПЗС, размещенных на подвижной
каретке (рис. 1.24, в). Отраженный свет лампы сканера, пройдя
светофильтры, направляется на массив ПЗС через систему зер­
кал и линз.
74
Глава 1. Основные принципы построения и ф ункционирования..
Устройства вывода информации
Здесь также в первом приближении можно различать устрой­
ства для работы с символьной и растровой (принтеры) и вектор­
ной (плоттеры) информацией.
Принтеры ударного типа (impact printer). Принтеры ударного
действия, или i m p a c t - п р и н т е р ы , являются первыми образ-:
цами подобных устройств, которые в дальнейшем были вытесне­
ны струйными и лазерными (см. гл. 3) принтерами. Они создают
изображение путем механического воздействия на бумагу через
ленту с красителем. В качестве ударного механизма применяют­
ся либо шаблоны символов (механизм печатающей машинки)
или иголки, конструктивно объединенные в матрицы.
Барабанные построчные принтеры. Первые модели печатаю­
щих устройств для вывода информации конструктивно представ­
ляли собой модернизированные варианты электрических пишу­
щих машинок и применялись в 1960—1970-х гг. в основном для
диалогового ввода-вывода небольшого количества данных.
Основным типом устройств для вывода массовой информа­
ции в те времена были п о с т р о ч н ы е п е ч а т а ю щ и е у с т ­
р о й с т в а б а р а б а н н о г о т и п а (рис. 1.25, а), использующие
механизм, состоящий из символьного барабана, красящей лен­
ты, системы продвижения перфорированной бумажной ленты
(обычно, рулонной либо сфальцованной в стопу) и ударных пу­
ансонов.
На символьном барабане размещены выпуклые изображения
символов (обычно строками по 120 одинаковых символов). При
вращении барабана символы проходят между бумагой, красящей
лентой и пуансоном. Удар пуассона, синхронизированный с про-
а
б
в
Рис. 1.25. Построчное алфавитно-цифровое печатающее устройство (АЦПУ)
ЕС 7038 (о); печатающая головка (б) и картридж (в) матричного принтера
1 .5 . Классы и принципы построения периферийных устройств
75
хождением требуемого символа, оставляет на бумаге отпечаток.
Одна строка, таким образом, печатается за один оборот символь­
ного барабана и это обеспечивает весьма высокое быстродейст­
вие (5—20 строк в секунду).
Матричные принтеры. В матричных принтерах (dot matrix
printer) изображение формируется иголками (что относит его к
растровым устройствам), которые расположены в головке прин­
тера и обычно активизируются электромагнитным методом
(рис. 1.25, б). Головка двигается по горизонтальной направляю­
щей и управляется шаговым двигателем. Бумага продвигается с
помощью вала, а между бумагой и головкой принтера располага­
ется красящая лента. У большинства моделей принтеров крася­
щая лента (в виде бесконечной ленты Мебиуса) заключена в
специальный пластмассовый корпус, называемый картриджем
(рис. 1.25, в).
Качество печати матричных принтеров определяется количе­
ством иголок в печатающей головке (рис. 1.26). В головке
9-игольчатого принтера находятся 9 иголок, которые, как прави­
ло, располагаются вертикально в один ряд. Диаметр одной игол­
ки около 0,2 мм. Благодаря горизонтальному движению головки
принтера и активизации отдельных иголок напечатанный знак
образует матрицу, причем отдельные буквы, цифры и знаки «за­
ложены» внутри принтера (иногда, драйвера принтера) в виде би­
нарных кодов. Для улучшения качества печати каждая строка
пропечатывается 2 раза, при этом увеличивается время процесса
печати и имеется возможность смещения при втором проходе от­
дельных точек, составляющих знаки. Качество печати 9-игольчаПервая игла
Вторая игла
Третья игла
# # # # #
ФОООО
• ОООО
• •••О
‘
.
ФОООО
тоооо
•••••
Восьмая игла О О О О О
Девятая игла О О О О О
а
Рис. 1.26. П ринцип образования изображения (а), факторы качества печати (б)
матричного принтера
76
Глава 1. Основные принципы построения и ф ункционирования..
тых принтеров оставляет желать лучшего, но для распознавания
букв этого достаточно (подобные принтеры до сих пор применя­
ются, например, при печати железнодорожных билетов). Даль­
нейшим развитием 9-игольчатого принтера являлся 18-игольча­
тый принтер, который имел два ряда по 9 иголок.
В 24-игольном принтере, ставшем современным стандартом
матричных принтеров, иголки располагаются в два ряда по
12 штук так, что они в соседних рядах сдвинуты по вертикали.
За счет этого точки при печати изображении перекрываются.
В 24-игольчатых принтерах имеется возможность перемещения
головки дважды по одной и той же строке, что обеспечивает пе­
чать на уровне машинописного качества LQ (Letter Quality). Не­
которые модели 24-игольчатых матричных принтеров обладают
возможностью цветной печати за счет использования красящей
ленты с цветами CMYK.
К числу несомненных преимуществ матричных принтеров
относятся:
• возможность печати одновременно нескольких копий до­
кумента с использованием копировальной бумаги;
• печать на карточках, сберегательных книжках и других но­
сителях из плотного материала;
• возможность обеспечения печати в рулоне или механизм
автоматической подачи бумаги, с помощью которого прин­
тер самостоятельно заправляет новый лист (sheet feeder);
• дешевизна расходных материалов, относительная дешевиз­
на матричных принтеров формата АЗ;
• долговечность работы; низкая себестоимость печати (один
отпечатанный на матричном принтере лист стоит в
20—30 раз дешевле, чем на принтерах других типов).
Матричные принтеры обеспечивают скорость печати до
400 знс (знаков в секунду, или cps — characters per second), обла­
дают разрешением 360 х 360 тнд (точек на дюйм, dpi). Матрич­
ные принтеры оборудованы оперативной памятью небольшого
объема — порядка 64—128 Кбайт (буфером, который принимает
данные от компьютера). При печати микропроцессор выбирает
битовые шаблоны из RAM-принтера в соответствии с ASCII-ко­
дами полученных данных.
Существенным недостатком матричных принтеров как прин­
теров ударного действия является шум, который достигает 58 дБ.
Для устранения этого недостатка в отдельных моделях преду­
смотрен так называемый тихий режим (Quiet Mode), однако та­
1 .5 . Классы и принципы построения периферийных устройств
77
кое понижение шума приводит к снижению скорости печати в 2
раза. Другое направление борьбы с шумом матричных принтеров
связано с использованием специальных звуконепроницаемых
кожухов.
Плоттер, или графопостроитель, представляет собой рисую­
щее устройство, в первую очередь предназначенное для вывода
векторной информации путем вычерчивания разноцветных ли­
ний движущимися карандашами (фломастерами, перьями, реза­
ками и пр.) на движущейся бумаге (пластике, линолеуме и пр.)
для создания гравировочного изображения (рис. 1.27, а).
а
Рис. 1.27. Плоттер (графопостроитель) (а) и его ближайший
прототип — пантограф (5)
78
Глава 1. Основные принципы построения и ф ункционирования..
С определенной натяжкой прототипом графопостроителей
может быть назван п а н т о г р а ф (от греч. pan, род. падеж
pantos — все, всеобщий и «граф», т. е. «всеобщий рисователь»)
по словарю Даля — «снаряд, снимающий рисунки или чертежи,
увеличивая или уменьшая их»). Это прибор, служащий для пере­
черчивания планов, карт и др. в другом, более мелком или круп­
ном, масштабе. На рис. 1.27, б изображен так называемый под­
весной пантограф, который состоит из четырех попарно парал­
лельных линеек, соединенных между собой шарнирами в точках
А, В, С, D и образующих параллелограмм ABCD. Точка А (по­
люс) неподвижна, в точке F помещен курсор, которым обводит­
ся оригинал, в точке К — карандаш, вычерчивающий уменьшен­
ную копию. Отношение масштабов оригинала и копии может
быть изменено перемещением линейки CD вдоль линеек АЕ
и BF\ одновременно должен быть перемещен и карандаш К так,
чтобы точки А, К и F находились на одной прямой, этим дости­
гается подобие фигур копии и оригинала.
1.6. Программная поддержка периферийных устройств
Система ввода-вывода первой промышленной операционной
системы (OS/360) [13] поддерживала достаточно широкий пере­
чень внешних устройств — ввод-вывод ПК и ПЛ, построчные
принтеры и НМЛ/НМД. Устройство карточного ввод (УКВ) и
алфавитно-цифровое печатающее устройство (АЦПУ) имели
статус системного ввода и вывода, и для их подключения к сис­
теме оператор должен был запускать программы системного вво­
да (r d r , Reader) и системного вывода (w t r , Writer). Подклю­
чение нескольких таких устройств уже требовало наличия актив­
ных копий этих программ. Программы RD R и w t r являлись
прототипами п р о г р а м м - д р а й в е р о в у с т р о й с т в , выпол­
няющих непосредственное программное обеспечение функцио­
нирования конкретного устройства.
Накопители информации управлялись подсистемой управле­
ния данными (data management macroinstructions). В дальнейшем
с появлением видеотерминалов (см. рис. 1.20, б) были разработа­
ны программы обрамления ОС — CRJE (Control Remote Job
Entry — диалоговый удаленный ввод заданий), CICS (Customer
Information Control System — система управления использовани­
ем информации) и другие средства.
1.6. Программная поддержка периферийных устройств
79
Система ввода-вывода
Компоненты системы ввода-вывода Windows NT представле­
ны на рис. 1.28, а. Каждому запросу на ввод-вывод соответству­
ет пакет IRP (I/O Request Packet). Пакеты передаются от одной
подсистемы ввода-вывода к другой. Менеджер ввода-вывода оп­
ределяет порядок доставки пакетов IRP файловым системам и
драйверам устройств. Менеджер не выполняет операций вво­
да-вывода, он только создает пакет IRP, передает его нужному
драйверу и удаляет пакет, когда операция завершается. Драйвер
же, получив IRP, выполняет операцию ввода-вывода, а затем
возвращает пакет менеджеру для уничтожения или передачи
а
6
Рис. 1.28. Компоненты системы ввода-вывода Windows NT (о); подключение
TW AIN-совместимых устройств к ПК (б):
/ — приложение вызывает модуль TWAIN, когда в меню Файл пользователь вы­
бирает «Импорт» (Acquire); 2 — модуль TWAIN берет устройство под контроль;
3 — сканер передает изображение модулю TW AIN, когда пользователь выбирает
«Сканирование» (Scan); 4 — модуль TWAIN передает изображение прилож е­
нию, от которого поступила команда Импорт
80
Глава 1. Основные принципы построения и ф ункционирования..
другому драйверу. Система ввода-вывода выполняет следующие
задачи:
• обеспечить поддержку нескольких файловых систем —
FAT, CDFS, NTFS;
• предоставить средства для упрощения разработки драйве­
ров устройств;
• обеспечить возможность динамического добавления и уда­
ления драйверов из системы;
• предоставить возможность ввода-вывода для отображаемых
в памяти файлов.
Кроме передачи пакетов, менеджер ввода-вывода выполняет
следующие действия:
• предоставляет драйверам некоторые общие функции, на­
пример для вызова одного драйвера другим;
• управляет буферами для запросов ввода-вывода;
• управляет тайм-аутом для драйверов;
• ведет записи о том, какие файловые системы установлены.
Особенностью Windows NT является общая структура ее
драйверов и широкая интерпретация того, что собой представля­
ет драйвер (драйвер устройства и драйвер ФС построены единым
образом). Драйверы переносимы, написаны на языке высокого
уровня и мало зависят от архитектуры процессора (драйверы вы­
сокого уровня, такие как файловая система, совсем не зависят).
Система ввода-вывода может динамически назначать драйверы
для новых устройств при изменении конфигурации системы.
Интерфейс драйверов с менеджером ввода-вывода стандар­
тизирован, что позволяет менеджеру вызывать их «вслепую», не
зная их особенностей или структур внутренних данных. Драйве­
ры могут также вызывать друг друга (через менеджер ввода-вы­
вода) для достижения многоуровневой обработки запросов вво­
да-вывода.
В Windows NT чаще используется многоуровневая модель
обработки запроса ввода-вывода, но для простых устройств мо­
жет применяться и одноуровневая модель, когда менеджер вы­
зывает только драйвер устройства. Может использоваться не
только двухуровневая модель (как, например, файловый драй­
вер — драйвер устройства), но и модель с большим числом уров­
ней. Например, если в компьютере есть SCSI-адаптер, к которо­
му подключен диск, то запрос к такому диску проходит через
три драйвера: драйвер файловой системы, драйвер класса дис­
ков, драйвер SCSI-порта.
1.6. Программная поддержка периферийных устройств
81
Драйверы устройств
Рассмотрим некоторые примеры драйверов.
Драйвер сканера (цифровой камеры). По существу, драйвер
сканера не только управляет «железом» на низком аппаратном
уровне, но и представляет собой сложный интерфейс с графиче­
ской оболочкой и возможностями настройки. Изготовители ска­
неров создали стандарт TWAIN (Toolkit Without Ап Interesting
Name), обеспечивающий взаимодействие сканеров практически
с любым прикладным ПО — пакетами обработки изображений,
настольными издательскими системами или программами рас­
познавания символов. Однако лишь средства коммуникации
прикладных пакетов с интерфейсом TWAIN (команды обраще­
ния к драйверу и формат передачи данных) являются стандарт­
ными. Всю остальную часть, в частности графический пользова­
тельский интерфейс ПО сканера и низкоуровневый компонент,
каждый изготовитель разрабатывает по-своему. Разрешается од­
новременно подсоединять к ПК более чем одно TWAIN-совмес­
тимое устройство, как показано на рис. 1.28, б. Каждое из уст­
ройств при этом имеет свою собственную копию модуля
TWAIN. Это обеспечивает конечного пользователя возможно­
стью выбора, которое именно из устройств TWAIN следует ис­
пользовать в течение сеанса.
Допустим, пользователь выбрал опцию Импо р т (Acquire) в
меню Файл такого приложения, как Photoshop, и в нем — соот­
ветствующий источник (Source) — TWAIN. При этом будет акти­
визирован TWAIN, который загрузит собственный драйвер уст­
ройства, не покидая основное приложение. После сканирования
драйвер автоматически закрывается, оставляя полученное изо­
бражение открытым в основном приложении.
Драйвер клавиатуры. Программируемость клавиатуры означа­
ет, что интерпретация всех перечисленных клавиш не обязатель­
но соответствует тем или иным символам/действиям, которые на
них обозначены. Нажатие на клавишу вырабатывает номер кла­
виши (поэтому основные и дублирующие символы/области в
принципе различаемы). Эта информация затем обрабатывается
драйвером клавиатуры, преобразующим номер клавиши в код
символа, который выводится на экран и поступает в распоряже­
ние работающей прикладной программы. Этот же драйвер ответ­
ственен за переход с латиницы на кириллицу. В отличие от меха­
нических терминалов и старинных ВТ, на консоли нет клавиши
6-
1814
82
Глава 1. Основные принципы построения и ф ункционирования..
переключения <Лат/Рус>. Поскольку драйверов весьма много
(всякий себя уважающий программист в середине своей карьеры,
как правило, пишет свой драйвер), надо иметь в виду, что пере­
ключение может осуществляться по-разному. Обычно использу­
ются сочетания управляющих клавиш (например, <shift+Alt>,
<s h i f t + shift> — левая и правая клавиши и пр.). Отсутствие
лампочки, которая на старых ВТ указывала, что включен регистр
«Лат» (или «Рус»), компенсируется обычно появлением на экра­
не цветной рамки или надписей LAT, RUS в углу экрана или еще
как-то, что определяется фантазией (или ее отсутствием) про­
граммиста. Очевидно, драйвер управляет привязкой символов к
клавишам. Обычно размещение букв не вызывает проблем — это
стандарты QWERTY и ЙЦУКЕН. Размещение же служебных
символов (! @ # $ % л) и пр. может различаться в разных драйве­
рах и, что самое печальное, может не соответствовать в связи с
этим символам, нанесенным изготовителем краской на клавиши.
И с буквами не все слава богу, особенно достается буквам Ъ и Ё
(иногда даже Ъ и ъ могут оказаться на разных клавишах).
API и GDI
Мультимедийные технические средства (а особенно — ком­
пьютерная графика) — наиболее быстро развивающаяся область
промышленности ПК, где высокими темпами постоянно возни­
кают новые чипсеты, версии интерфейсных карт, устройства и
принципы технологий. Для прикладного программиста, зани­
мающегося разработками мультимедийных приложений или
компьютерных игр, становится совершенно невозможным зано­
во переписывать все программы с появлением на рынке карт с
новыми графическими процессорами, поддерживающими высо­
копроизводительные технологии мультимедиа с аппаратным ус­
корением (графические/видеоакселераторы).
API. В качестве решения появились программные интерфей­
сы приложений (API, application programming interface), которые
играют роль посредника между прикладной программой и аппа­
ратными средствами ЭВМ (интерфейсная карта и внешнее уст­
ройство), на которых она выполняется. Разработчик программ­
ного обеспечения пишет обращение к устройству на некотором
стандартизированном языке, а не в кодах аппаратных средств
ЭВМ. Затем драйвер, написанный изготовителем периферийно­
1.6. Программная поддержка периферийных устройств
83
го устройства или его карты, переводит этот стандартный код к
формату, понятному специфической модели периферийных уст­
ройств (рис. 1.29).
П р и кл ад н ая про грам м а
G D I — гр аф и чески й
и н тер ф ей с устройства
(ко м п о н ен та О С )
D irec t3D
(A P I, и н тер ф ей с прикладной
програм м ы )
Д р а й в е р устройства
Гр а ф и ч ес кая карта
Рис. 1.29. Взаимодействие драйверов с прикладной программой посредством
API и G D I
API-интерфейсы обеспечивают доступ к новейшим возмож­
ностям высокопроизводительных устройств, таких как микро­
схемы ускорения трехмерной графики и звуковые платы. Эти
интерфейсы управляют функциями нижнего уровня, в том числе
ускорением двумерной графики, поддержкой устройств ввода,
таких, как джойстик, клавиатура и мышь, а также микширова­
нием и выводом звука.
Графический Интерфейс Устройства (Graphics Device Inter­
face — GDI) является стандартом Microsoft Windows, который
описывает, как следует представлять графические объекты для
передачи их на устройства вывода типа мониторов или прин­
теров.
GDI поддерживает такие задачи, как рисование линий, пред­
ставление шрифтов и обработка палитр. Он не занимается непо­
средственно формированием окон, меню, и т. д., эти задачи ос­
тавлены для подсистемы пользователя (user32.dll), которая
является надстройкой над GDI.
Существенная способность GDI (кроме более прямых мето­
дов обращения к аппаратным средствам) — масштабирование и
абстрагирование от оконечных устройств. Используя GDI, мож­
но достаточно просто осуществлять вывод изображений на раз­
личные устройства (мониторы, принтера) и ожидать надлежаще­
го результата в каждом случае. Эта способность обеспечивает все
приложения WYSIWYG для Microsoft Windows.
Простые игровые программы, которые не требуют быстрой
обработки графики, могут обходиться возможностями GDI. Од­
нако более современные игры должны использовать API DirectX
84
Глава 1. Основные принципы построения и функционирования.
или OpenGL, которые дают возможность программистам более
интенсивно использовать аппаратные средства.
С появлением Windows ХР, GDI заменяется преемником —
подсистемой GDI+, базирующейся на C++. GDI+ — следующее
поколение двумерной графической среды, включающее такие
расширенные особенности, как двумерная графика со сглажива­
нием, координаты с плавающей запятой, альфа-смешивание,
градиентное затушевывание, поддержка современных форматов
графических файлов наподобие JPEG и PNG (которые заметно
отсутствовали в GDI), и общую поддержке перечня аффинных
преобразований в конвейере двумерного рендеринга. Использо­
вание этих особенностей очевидно в интерфейсе пользователя
Windows ХР, и их присутствие в основном графическом уровне
очень упрощают выполнение векторных графических преобразо­
ваний. Динамическая библиотека GDI+ может вместе с прило­
жением использоваться под более ранними версиями Windows.
Библиотека классов Microsoft.NET обеспечивает управляемый
интерфейс для GDI+.
API для трехмерной графики
Господствующими направлениями в обработке трехмерной
графики в последние годы являются два 3D-API — OpenGL и
Direct3D. Прежде чем давать их описания, вкратце охарактери­
зуем процедуры, входящие в понятие представления изображе­
ния или рендеринга.
Рендеринг (rendering — окончательная компиляция изображе­
ния). На этапе рендеринга, выполняемого ЗО-акселератором,
осуществляется построение растрового изображения (пикселей).
Узкое место здесь — доступ к памяти — необходимо быстро счи­
тывать пиксели и передавать в буфер кадра (экрана). Изображе­
ние каждого кадра (сцены) составляют тысячи многоугольников
и они должны быть обновлены и переданы через память по
крайней мере 30 раз в секунду, чтобы создать иллюзию движе­
ния. Из буфера кадры передаются в RAMDAC (ЦАП) и преобра­
зуются в аналоговый сигнал для монитора.
Процесс рендеринга предполагает использование различных
ЗО-методов:
• текстурирование, отображение текстур (texture mapping) —
технология детализации ЗО-изображения, которая лучше
1.6. Программная поддержка периферийных устройств
.
•
•
•
•
85
всего может быть представлена как обтягивание некоего
3-мерного каркаса окрашенной бумагой (конечно, 2-мер­
ной). Это трудоемкий процесс, который должен быть вы­
полнен не только для каждого пикселя изображения, но и
для каждого элемента текстуры (текселя, texel). Могут ис­
пользоваться разные текстуры (мультитекстурирование,
multitexturing);
сжатое текстурирование (mip mapping, mip-отображение) —
форма сокращения объема данных, при которой создается
большее количество текселей, без выполнения эквивалент­
ного Необходимого числа вычислений. Если сжатие состав­
ляет 1 :4, то считывание одного текселя эквивалентно пе­
редаче четырех текселей первоначальной структуры. Если
использованы надлежащие фильтры, качество изображения
может даже повыситься, поскольку при этом сглаживаются
зубчатые грани;
билинейная фильтрация (bi-linear filtering) — считывание
четверок тексилей, усреднение их характеристик и исполь­
зование представленного результата как единственного
текселя. В результате выравнивается фактура близлежащих
участков, изображение сглаживается и уменьшается пикселизация (blocky, pixelated appearance). Билинейная фильт­
рация является в настоящее время стандартом для боль­
шинства графических карт;
Z-буферизация (Z-bufFering) — метод вычисления пиксе­
лей, которые следует загрузить в буфер экрана (память,
хранящая данные, которые должны быть немедленно выве­
дены). Обычные ЗО-акселераторы берут один пиксель, рас­
считывают его и переходят к следующему. Проблема состо­
ит в том, что акселератор не имеет возможностей «узнать»,
должен ли рассчитываемый пиксель быть показан немед­
ленно или же позже. Z-буферизация вычисляет и приписы­
вает каждому пикселю некоторый вес «Z». Чем меньше
значение Z, тем раньше данный пиксель должен быть вы­
веден на экран;
сглаживание (anti-aliasing) — технология снижения «шу­
мов», присутствующих в изображении. Например, если
объект находится в движении, необходим большой инфор­
мационный поток, отражающий изменение положения,
цвета, размера и т. д. Иногда процессор не успевает обра­
ботать всю информацию и тогда некоторые места заполня-
86
Глава 1. Основные принципы построения и ф ункционирования..
ются бессмысленным шумом. Сглаживание наряду с
mip-отображением удаляет этот шум;
• закраска/штриховка Гуро (Gouraud shading) применяет тени
к поверхности объектов, заставляет их выглядеть более объ­
емно. Алгоритм определяет цвета смежных многоугольников
и вычисляет гладкий переход между ними, что гарантирует
отсутствие резких цветовых переходов в окраске объекта;
• отображение выпуклостей/неровностей (bump mapping)
создает иллюзию объемных углублений на плоской поверх­
ности (шершавые стены, бурное море и пр.).
OpenGL (Open Graphics Library — открытая
графическая библиотека) — межъязыковая и
межплатформенная спецификация API для 3и 2-мерных приложений компьютерной гра­
фики. Включает более чем 250 функций, которые предназначе­
ны для формирования 3-мерных объектов и сцен из простых
примитивов. OpenGL был разработан Silicon Graphics Inc. (SGI)
в 1992 г. и широко распространен в индустрии разработчиков
видеоигр, где конкурирует с Direct3D на платформах Microsoft
Windows. OpenGL широко используется в САПР, визуализации
данных, системах моделирования и видеоиграх.
В своей основе OpenGL — это спецификация, т. е. некото­
рый документ, который определяет набор функций и содержит
точное описание действий, которые они должны выполнять. На
основе этой спецификации производители аппаратных средств
ЭВМ создают конкретные программные реализации — библио­
теки, соответствующие функциям, объявленным в OpenGL-cneцификации, используя видеоакселераторы там, где возможно.
Оборудование подвергается сертификационным тестам, чтобы
квалифицировать его соответствие OpenGL.
Применение OpenGL преследует следующие основные цели:
• предоставляя программисту однородный программный ин­
терфейс приложения, скрывать подробности взаимодейст­
вия с различными ЗО-акселераторами;
• скрывать различие платформ аппаратных средств ЭВМ,
требуя только, чтобы все программные реализации поддер­
живали полный набор функций OpenGL (используя про­
граммную эмуляцию, если необходимо).
Основная функция OpenGL заключается в считывании гра­
фических примитивов (точек, линий и многоугольников) и пре­
1 .6 . Программная поддержка периферийных устройств
87
образовании их в пиксели. Это происходит в графическом кон­
вейере, известном как «машина OpenGL» (OpenGL state machine).
Большинство команд OpenGL или направляет примитивы на
конвейер, или задает, как конвейер должен их обрабатывать.
До появления OpenGL 2.0 каждая стадия конвейера выпол­
няла установленную функцию и конфигурировалась только в уз­
ких пределах, но в OpenGLe 2.0 несколько стадий могут полно­
стью программироваться с использованием языка GLSL.
OpenGL — процедурный программный интерфейс приложе­
ния низкого уровня, который требует от программиста точное
описание шагов рендеринга сцен, а также хорошего знания гра­
фического конвейера.
Краткое описание процесса в графическом конвейере
(рис. 1.30):
• построение (evaluation) коэффициентов полиномиальных
функций (наподобие сплайновых кривых NURBS), кото­
рые аппроксимируют пространственные поверхности объ­
ектов;
• обработка вершин многогранников (vertex operations), их
преобразование или подсветка в зависимости от материала,
удаление невидимых частей объектов;
• растеризация (rasterisation) или преобразование предыду­
щей информации в пиксели, окраска многоугольников
осуществляется на основе алгоритмов интерполяции;
• операции над фрагментами (пиксели или их группы —
per-fragment operations) типа обновления ранее поступив­
шей и сохраненной информации (цветовая глубина, отте­
нок и пр.);
• передача пикселей в буфер кадра/сцены (frame buffer).
Рис. 1.30. Графический конвейер OpenGL
88
Глава 1. Основные принципы построения и ф ункционирования..
DirectX. Впервые предложенный в 1995 г., DirectX
представлял собой объединенный набор инструмен­
тов программирования, предназначенных для того,
чтобы помочь разработчикам создавать широкий
спектр мультимедийных приложений для платфор­
мы Windows. Охватывая почти все аспекты мультимедийных тех­
нологий выпуск DirectX 8.0 включает следующие компоненты:
• DirectX Graphics, который, в свою очередь состоит из двух
API:
— DirectDraw — для обработки 2-мерных растровых изобра­
жений;
— Direct3D (D3D) — обработчик ЗО-графики;
• Directlnput — обрабатывает данные, поступающие от кла­
виатуры, мыши, джойстиков или других игровых контрол­
леров;
• DirectPlay — для поддержки сетевых игр;
• DirectSound — проигрывание и запись звука;
• DirectSound3D (DS3D) — для воспроизведения ЗО-звучания;
• DirectMusic — проигрывание звукозаписей, подготовлен­
ных в DirectMusic Producer;
• DirectSetup — установка и настройка компонент DirectX;
• DirectX Media — включает DirectAnimation, DirectShow,
DirectX Video Acceleration, Direct3D Retained Mode и
DirectX Transform для анимации, воспроизведения мульти­
медиа, ЗО-интерактивных приложений;
• DirectX Media Objects — поддержка кодирования/декоди­
рования в реальном масштабе времени и создание спецэф­
фектов.
Direct3D. Direct3D включает две компоненты API —
Immediate Mode (немедленная обработка) и Retained Mode (от­
ложенная обработка). Первая обеспечивает использование всех
ЗО-функций видеокарт (подсветка, текстурирование, трансфор­
мация объектов и пр.), в то время как вторая — более сложные
графические технологии, такие как иерархия сцен или анима­
ция. Функции Immediate Mode предпочитают использовать раз­
работчики видеоигр, поскольку здесь они могут осуществлять
программирование на низком уровне, более свободно и эффек­
тивно используя возможности графического оборудования. Не­
смотря на Intermediate Mode, считается, что Direct3D является
менее гибким, чем OpenGL.
1.6. Программная поддержка периферийных устройств
89
Компоненты 6-й версии Direct3D поддерживают возможно­
сти более новых графических карт выполнять множественное
текстурирование (покрытия «каркаса» изображения текстурами)
за один проход. Здесь также используются более новые методы
для того, чтобы улучшить реализм ЗЕ)-сцен, типа анизотропной
фильтрации (anistropic filtering), которая добавляет элемент глу­
бины к трилинейной фильтрации (trilinear filtering), и отображе­
ние неровностей (bump mapping), которое создает иллюзию ре­
альности структуры и освещенности плоских поверхностей.
Следующая версия — DirectX V7.0 (1999 г.), кроме оптимиза­
ции кода, которая позволила на 20 % увеличить быстродействие,
включала ряд новых особенностей. Наиболее важная из них —
сопровождение операций трансформации и подсветки (transfor­
mation and lighting — T&L), поскольку они поддерживаются
большинством ЗО-акселераторов текущего поколения, и особен­
но в графических картах чипсетов GeForce 256 (nVidia ) и Savage
2000 (S3).
Поскольку операции T&L являлись одной из самых трудоем­
ких для центральных процессоров задач в современных игровых
приложениях, перенос этой нагрузки на выделенный ЗО-акселератор позволяет освободить ЦП для более существенных задач
(например, внесение в игры элементов искусственного интел­
лекта или выработка специальных эффектов).
Самым важной стороной DirectX 9.0 (январь 2003 г.) было
введение HLSL (High Level Shader Language, высокоуровневый
язык раскрашивания изображений). Ранее разработчики игр
должны были программировать алгоритмы раскраски, исполь­
зуя ассемблер низкого уровня. HDSL вводит дружественную
среду программирования, которая облегчает каждый шаг разра­
ботки, — от создания ярких образов в мультипликации до про­
граммирования эффектов. Базирующийся на языке программи­
рования С, HLSL совместим со всеми графическими средства­
ми DirectX.
Структура графического конвейера Direct3D (рис. 1.31):
• входная сборка (input assembler) поставляет данные на кон­
вейер;
• раскраска вершин многогранников (vertex shader) выполня­
ет операции над вершинами, такими, как трансформация,
покрытие текстурой, подсветка;
• раскраска геометрических примитивов (geometry shader) —
операции над примитивами (треугольники, вершины, ли-
90
Глава 1. Основные принципы построения и ф ункционирования..
Рис. 1.31. Графический конвейер Direct3D
•
•
•
•
нии), иногда — над связанными с ними примитивами. На
этой стадии каждый примитив передается дальше или
уничтожается, или на его основе создается один или не­
сколько новых примитивов;
выходной поток (stream output) — запись в память резуль­
татов предыдущих стадий. На основе этих данных могут
быть организованы итерационные циклы обработки дан­
ных на конвейере;
растеризация (rasterizer) — трансформация примитивов в
пиксели, удаление невидимых.
раскраска пикселей (pixel shader) и другие операции над
ними;
окончательная сборка (output merger) объединение различ­
ных типов выходных данных и построение кадра-результата.
API для аудиосредств
A3D (Aureal 3-Dimensional) — разработанный в 1997 г. NASA
(National Aeronautics and Space Administration) и фирмой Aureal
стандарт генерации таких эффектов, как густой туман или под­
водные звуки для использования в тренажерах. A3D позволяет
моделировать конфигурацию помещения, в котором раздаются и
распространяются звуки, вычисляя до 60 звуковых отражений
(в ангаре, колодце и пр.).
1.6. Программная поддержка периферийных устройств
M
l
91
ЕАХ (environmental audio extensions,
расширение звукового окружения) —
программно-аппаратурные технологии
добавления эффектов (реверберация,
полифония и пр. с учетом звуковых препятствий и поглощения
звуков) к обрабатываемому аудиокартой звуковому сигналу для
придания естественности при моделировании аудиосреды (в ос­
новном — в компьютерных играх). Впервые появляется в картах
Sound Blaster (Creative Labs) и в дальнейшем (2001 г.) вытесняет
A3D. Эффекты могут накладываться как на естественный, так и
искусственный звуковой сигнал (синтезированные или M ID Iзвуки). ЕАХ не управляет трехмерным позиционированием ис­
точников звука.
Библиотека API ЕАХ является расширением для API
Microsoft DirectSound3D, добавляя эффекты к звуковому пози­
ционированию DS3D. В 2006 г. API ЕАХ применялся во многих
популярных играх, включая Doom 3 и Prey, которые используют
ЕАХ 4.0, если присутствуют звуковые аппаратные средства с
драйвером, поддерживающим OpenAL.
OpenAL (Open Audio Library, открытая звуковая
библиотека) — альтернатива DirectSound3D,
появилась 2003 г. и так же, как и DirectSound,
позволяет прямое ускорение аппаратных средств
аудио, подключая ЕАХ. Это кросс-платформенная библиотека
API, предназначенная для моделирования трехмерного звуково­
го окружения (акустический рендеринг). Первоначально была
разработана Loki Software для переноса игр из среды Windows в
ОС Linux. Функционирование OpenAL заключается в совмест­
ном рассмотрении источника звука, БД звуковых сигналов и
приемника сигнала. Звуковая БД содержит образцы сигналов в
формате РСМ (16 или 8 бит) как моно так, и стереофонические.
Источник задается указателем на БД (тип сигнала), скоростью
движения, силой и направлением звучания и пр. параметрами.
Слушатель также характеризуется скоростью и направлением
движения, расстоянием до источника и пр. В результате модели­
рования вычисляются такие характеристики воспринимаемого
сигнала, как эффект Доплера, ослабление звука с расстоянием и
пр., что создает реалистическое впечатление среды звучания.
Командное управление звуковыми устройствами. Цифровой
интерфейс музыкальных инструментов (Musical Instrument
92
Глава 1. Основные принципы построения и ф ункционирования..
Digital Interface — MIDI) появился в начале 1980-х гг. и был раз­
работан, чтобы обеспечить стандартный интерфейс между пуль­
тами управления музыкой (наподобие клавиатур) и звуковыми
генераторами (синтезаторов, «роботов-барабанщиков» и пр.).
В этой области синтеза звука также имеются свои стандарты.
Основным является стандарт МТ-32, разработанный фирмой
Roland и названный в соответствии с одноименным модулем ге­
нерации звуков. Этот стандарт также определяет основные сред­
ства для управления расположением инструментов, голосов, а
также для деления на инструментальные группы (клавишные,
ударные и т. д.).
Интерфейс MIDI передает не звук, а команды, которые вы­
полняет устройство-приемник. Например, если на клавиатуре
нажата определенная клавиша, то передается команда Note On
(включить ноту), которая заставляет принимающее устройство
проиграть некоторую музыкальную ноту. В Windows M IDI-фай­
лы могут воспроизводиться программой-проигрывателем M ID I­
Sequencer. Команда состоит из трех элементов:
• байта состояния (Status Byte);
• номера ноты (Note Number);
• значения скорости нажатия клавиши (Velocity Value).
Байт состояния содержит информацию о типе команды
(в этом случае — «включить ноту»), а также, на какой канал она
должна быть послана (1—16).
Номер ноты описывает клавишу, которая была нажата (ска­
жем, «ре» Большой Октавы).
Зна ч ение скорости указывает силу, с которой эта клавиша
была нажата. Принимающий инструмент будет исполнять эту
ноту, пока не придет команда Note off (отключить ноту), кото­
рая содержит аналогичные данные.
В зависимости от того, какой именно звук проигрывается,
синтезаторы по-разному обрабатывают данные V e l o c i t y Value.
Звук фортепьяно, например, становится громче, если клави­
ша нажата более сильно, а также изменяются тональные свойст­
ва. Профессиональные синтезаторы часто вводят дополнитель­
ные тембры, чтобы подражать звуку молоточков, ударяющих по
струнам.
M IDI обеспечивает соединение более чем по 16 каналам, по­
зволяя подключить до 16 инструментов MIDI к одному интер­
фейсу. Некоторые M IDI-интерфейсы имеют 16 выходов, позво­
ляя одновременно обращаться к 256 инструментам.
1 .6 . Программная поддержка периферийных устройств
93
Программные средства управления печатью (page description
languages, языки описания страниц)
Коммуникация между компьютером и принтером сегодня
совсем иная, нежели когда текст передавался в коде ASCII и был
размечен бинарными управляющими кодами, которые интер­
претировал принтер, переключаясь на вывод подчеркнутого, по­
лужирного, курсивного, уплотненного или разреженного ш риф­
тов. Эти шрифты должны были быть встроены в принтер (или
драйвер) и, кроме программного управления, могли переклю­
чаться простым нажатием кнопок на его панели управления.
Основное преимущество ASCII-текста состоит в простоте
процесса — если текст содержит символ «А», код ASCII для «А»
передается на принтер, который, декодировав его, печатает «А».
Основная проблема состояла в том, что требовалось тщательное
планирование, чтобы разместить напечатанные символы в тех
же самых позициях, что и на экране. Процесс печати был аппа­
ратно-зависим, и результаты его были непредсказуемы при вы­
воде на разные принтеры, располагающие различными формами
и размерами шрифтов.
PostScript. Возможно первый стандартный и мультиплатформенный язык описания страниц (page description language), не за­
висящий от аппаратуры, был выпущен в 1985 г. фирмой Adobe —
PostScript Уровня 1. Он создает описания страниц в векторной
форме, которые передаются на дисплей или принтер, где преоб­
разуются в растровые образы в соответствии с максимальным
разрешением устройства. Например, монитор обеспечивает
75 dpi, лазерный принтер — 300 dpi, а фотонаборный автомат —
до 2400 dpi. Каждое из устройств воспроизводит PostScript-npoграммы на уровне своих возможностей, но все эти изображения
геометрически подобны. В этом состоит аппаратурная независи­
мость и выполнение принципа WYSIWYG (what you see is what
you get — что вы видите — это то, что вы получите).
Команды PostScript Уровня 1 могут быть посланы на прин­
тер/дисплей из любой ЭВМ или ОС и от драйвера требовалось
только трансформировать содержание документа в эти команды,
которые затем могли бы интерпретироваться любым PostScriptпринтером. Эти особенности вкупе с тем фактом, что Adobe яв­
лялась единственным владельцем официальной лицензии, а так­
же по причине снобизма сообщества пользователей Macintosh
94
Глава 1. Основные принципы построения и ф ункционирования.
Apple сделали PostScript-совместимые устройства в конечном
счете престижными, а следовательно, очень дорогими.
PostScript Extreme (ранее названный Supra) — более поздняя
разработка Adobe, ориентирован на такие крупномасштабные
высокоскоростные системы печати верхнего уровня, как цифро­
вые печатные станки.
PCL. Подход Adobe оставил нишу в рынке, которую
Hewlett-Packard быстро заполнил собственной разработкой —
языком описания страниц, который не зависел от устройств и
базировался на командном языке принтеров (PCL, Printer Com­
mand Language), выпущенном HP в 1970-х гг.
Маркетинговая стратегия Hewlett-Packard привела к появле­
нию множества принтеров, оборудованных аналогами PCL и не­
много более дешевых, чем их Postscript-лицензированные анало­
ги, однако без гарантии 100%-ной идентичности вывода на всех
этих принтерах.
PCL был первоначально предназначен для матричных прин­
теров и использовал коды бинарной разметки, управляющие
шрифтами (ESC-последовательности), а не полный язык опи­
сания страниц. Первая широко распространившаяся версия
(PCL 3) поддерживала только простые задачи печати, PCL 4 до­
бавляет лучшую поддержку графики и все еще используется в
принтерах настольных ПК, поскольку требует меньшей мощно­
сти при обработке, чем PCL 5 или следующая версия PCL 6.
PCL 5, разработанный для LaserJet III, содержал подобный
PostScript набор возможностей — масштабируемые шрифты,
системные и векторные описания Intellifont, поддерживающие
WYSIWYG на настольном компьютере, а также различные фор­
мы сжатия, которые существенно убыстряли печать по сравне­
нию с PostScript 1. PCL 5е обеспечивал двунаправленную связь
для сообщения о состоянии принтера, но не добавлял никаких
улучшений качества печати, в то время как PCL 5с включал усо­
вершенствования для цветной печати.
GDI-принтеры. Альтернативой лазерным принтерам, кото­
рые управляются языками, подобными PostScript и PCL, явля­
ются растровые принтеры, совместимые с Windows GDI. При
этом на ПК осуществляется рендеринг (подготовка к выводу)
страниц перед пересылкой их в растровой форме для прямого
вывода на печать, используя принтер только как механизм печа­
ти. В этом случае нет никакой потребности в дорогих встроен­
ных процессорах или памяти, что существенно удешевляет
1.6. Программная поддержка периферийных устройств
95
принтер. Однако передача страницы в сжатой растровой форме
занимает длительное время, что уменьшает скорость печати.
Некоторые изготовители выбирают для использования Win­
dows Print System — стандарт, разработанный Microsoft, для под­
держки универсальной архитектуры для G D I-принтеров. Про­
цесс- Windows Print System несколько отличается от обычного
GDI, преобразуя GDI в растровую форму в процессе печати и
сокращая зависимость принтера от процессора ПК, уменьшая
требования к мощности ПК.
Установка устройств в среде ОС Windows
Большинство устройств, изготовленных после 1995 г., ис­
пользуют технологию Plug and Play — возможность работы с уст­
ройством сразу же после его подключения к компьютеру, без не­
обходимости донастройки или установки дополнительного про­
граммного обеспечения. Windows устанавливает устройства Plug
and Play и их драйверы автоматически. Однако при установке
более старой версии драйвера или устройства поддержка Plug
and Play может быть ограниченной или отсутствовать вообще.
Обычно при установке оборудования, несовместимого со
стандартом Plug and Play, необходимо выполнить некоторые
шаги ручной настройки. Для изменения параметров старых вер­
сий устройств предназначены — мастер установки оборудования
на панели управления и диспетчер устройств.
Чтобы установить устройство с помощью мастера установки
оборудования или диспетчера устройств, необходимо войти в
систему с учетной записью администратора или члена группы
«Администраторы». Если компьютер подключен к сети, установ­
ка оборудования может быть запрещена параметрами сетевой
политики. Если драйверы устройства уже были загружены адми­
нистратором, установить устройство можно без прав админист­
ратора.
Подключите устройство к соответствующему порту или гнез­
ду компьютера в соответствии с указаниями производителя.
Windows или инструкции изготовителя устройства могут требо­
вать перезагрузки компьютера.
Если устройство, например звуковую плату, необходимо ус­
тановить в гнездо внутри компьютера, следует завершить работу
Windows и выключить компьютер. Снимите крышку корпуса
96
Глава 1. Основные принципы построения и ф ункционирования.
компьютера и установите устройство в соответствующее гнездо.
Закройте крышку и включите компьютер.
При установке устройства SCSI подключите его к SCSI-пор­
ту компьютера в соответствии с указаниями производителя. Пе­
резагрузите или включите компьютер. Необходимо убедиться,
что номер устройства используется только для одного SCSI-уст­
ройства. Чтобы изменить номер устройства, обратитесь к доку­
ментации устройства.
При установке устройств USB или IEEE 1394 подключите их
к любому USB- или IEEE-порту компьютера. При появлении
соответствующего приглашения следуйте инструкциям на экра­
не. При установке устройств USB или IEEE 1394 выключать или
перезагружать компьютер не требуется. Хотя технологии USB и
IEEE 1394 похожи, разъемы USB и IEEE 1394 не являются взаи­
мозаменяемыми.
Перед удалением устройства Plug and Play необходимо уведо­
мить об этом Windows с помощью диспетчера устройств. Тогда
Windows-драйверы устройства больше не будут загружаться при
запуске компьютера.
Контрольные вопросы
1 . П е р е ч и с л и т е е д и н и ц ы и з м е р е н и я ко л и ч е с т в а и н ф о р м а ц и и .
2 . Ч то т а к о е А Ц П (а н а л о г о -ц и ф р о в о е п р е о б р а з о в а н и е )? Ц А П ?
3 . П е р е ч и с л и т е м е то д е к о д и р о в а н и я си м в о л о в и ч и с е л .
4 . Ч то т а к о е ти пы и с тр у кту р ы д анны х?
5 . Ч то т а к о е ф и з и ч е с к и е и л о г и ч е с к и е запи си?
6 . В ч ем з а к л ю ч а е тс я н а з н а ч е н и е и к а к о в а с тр у к ту р а ф а й л о в о й системы ?
7 . П е р е ч и с л и т е и д а й те х а р а к т е р и с т и к и а у д и о ф о р м а то в .
8 . О х а р а к т е р и з у й т е схемы ц в е т о о б р а з о в а н и я .
9 . П е р е ч и с л и т е и д а й т е х а р а к т е р и с т и к и гр а ф и ч е с к и х ф а й л о в .
1 0 . П ер ечи сл и те и д айте х а р а кте р и с ти ки видеоф орм атов.
1 1 . Ч то т а к о е м од ул я ци я ? Н а з о в и т е виды м о д у л я ц и и .
1 2 . П е р е ч и с л и т е классы и п р и н ц и п ы п о с т р о е н и я п е р и ф е р и й н ы х у с тр о й с тв .
1 3 . Ч то т а к о е A P I и GDI?
Глава 2
ОСНОВНЫЕ АРХИТЕКТУРНЫЕ
ПРИНЦИПЫ ЭВМ. ИНТЕРФЕЙСЫ
С т р у к т у р а компьютера — это совокупность его функцио­
нальных элементов и связей между ними. Структура компьютера
графически представляется в виде структурных схем, с помощью
которых можно дать описание компьютера на любом уровне де­
тализации.
А р х и т е к т у р о й компьютера считается его представление
на некотором общем уровне, включающее описание пользова­
тельских возможностей программирования, системы команд,
системы адресации, организации памяти и т. д. Архитектура опре­
деляет принципы действия, информационные связи и взаимное
соединение основных логических узлов компьютера: п р о ц е с ­
сора, о п е р а т и в н о г о з а п о м и н а ю щ е г о у с т р о й с т в а
(ОЗУ, ОП), внешних ЗУ и п е р и ф е р и й н ы х у с т р о й с т в .
Важнейшее место в структуризации систем занимают средст­
ва сопряжения, которые называются и н т е р ф е й с а м и . Интер­
фейс представляет собой совокупность коммутаторов, линий,
сигналов, электронных схем и алгоритмов (протоколов), предна­
значенную для осуществления обмена информацией между уст­
ройствами.
2 .1 . Структуры и архитектуры ЭВМ
Принципы фон Неймана
В основу архитектуры большинства компьютеров положены
следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. аме­
риканским ученым Дж. фон Нейманом в отчете по ЭВМ EDVAC
7-
1814
98
Глава 2. Основные архитектурные принципы ЭВМ. Интерфейсы
[8, 9, 12], — п р и н ц и п п р о г р а м м н о г о у п р а в л е н и я ;
п р и н ц и п о д н о р о д н о с т и памяти; п р и н ц и п а д р е с ­
н о с т и . По истечении более 60 лет большинство компьютеров
так и имеют «фон-неймановскую архитектуру», причем обычно
принципы фон Неймана реализованы в следующей форме:
• о п е р а т и в н а я п а м я т ь (ОП или ОЗУ — оперативное за­
поминающее устройство) организована как совокупность
м а ш и н н ы х с л о в ( МС) ф и к с и р о в а н н о й д л и н ы
или р а з р я д н о с т и (имеется в виду количество двоичных
единиц или бит, содержащихся в каждом МС). Например,
ранние ПЭВМ имели разрядность 8, затем появились
16-разрядные, а затем — 32- и 64-разрядные машины. В свое
время существовали даже 45-разрядные (М-20, М-220),
35-разрядные (Минск-22, Минск-32) и др. машины;
• ОП образует единое адресное пространство, адреса МС
возрастают от младших к старшим;
• в ОП размещаются как данные, так и программы, причем в
области данных одно слово, как правило, соответствует од­
ному числу, а в области программы — одной команде (ма­
шинной инструкции — минимальному и неделимому эле­
менту программы);
• команды выполняются в естественной последовательности
(по возрастанию адресов в ОП), пока не встретится коман­
да управления (условного/безусловного перехода, или ветв­
ления — branch), в результате которой естественная по­
следовательность нарушится;
• ЦП может произвольно обращаться к любым адресам в ОП
для выборки и/или записи в МС чисел или команд.
Функциональные блоки (агрегаты, устройства)
Краткий список основных устройств, входящих в состав вы­
числительных машин, приведен на рис. 2.1.
Ц е н т р а л ь н о е у с т р о й с т в о (Ц У ) представляет основ­
ную компоненту ЭВМ и в свою очередь включает ЦП — цен­
тральный процессор (central processing unit — CPU) и ОП (Main
Storage, Core Storage, Random Access Memory — RAM).
Процессор непосредственно реализует операции обработки
информации и управления вычислительным процессом, осуще­
ствляя выборку машинных команд и данных из оперативной па-
ЭВМ
Устройства
яч1|5.xs
ш
&
13
Н
е
Э* к
8 -И
3§||
^i х
л£=х£11
чCt
||
Рис. 2.1. Перечень устройств ЭВМ
Данные устройства здесь не рассматриваются. Читатель может обратиться, например, к [8, 9, 10, 12].
2 .1 . Структуры и архитектуры ЭВМ
99
100
Глава 2. Основные архитектурные принципы ЭВМ. Интерфейсы
мяти, их выполнение и запись результатов в ОП, включение и
отключение ВУ. Рассмотрим в качестве примера процессор Intel
Pentium (рис. 2.2). Он состоит из следующих блоков [8, 9]:
• я д р о (C o re ). Основное исполнительное устройство, кото­
рое включает в себя арифметико-логическое устройство
(АЛУ, или Arithmetic and Logical Unit — ALU) регистры,
конвейеры. АЛУ — часть процессора, выполняющая ариф­
метические и логические операции над данными, работает в
соответствии с сообщаемыми ему кодами операций, кото­
рые должны быть выполнены над переменными, помещае­
мыми в регистры. Повышение производительности достига­
лось благодаря двум конвейерам, позволяющим выполнить
одновременно несколько инструкций. Это два параллель­
ных 5-ступенчатых конвейера обработки целых чисел, кото­
рые позволяют читать, интерпретировать, исполнять две ко­
манды одновременно. Целочисленные команды могут вы­
полняться за один такт синхронизации. Эти конвейеры
неодинаковы: U-конвейер выполняет любую команду сис­
темы команд семейства 86; V-конвейер выполняет только
«простые» команды, т. е. команды, которые полностью
встроены в схемы МП и не требуют микропрограммного
управления (microcode) при выполнении (это команды, до­
Предсказатель переходов
(ветвлений)
Блок выборки
и декодирования команд
Кэш команд
Арифметико-логич»
устройство
Исполнительное
устройство
Блок операций
с плавающей
точкой
по
32 бит
Ш ина 64 бит
Первичная
кэш-память
(1-й уровень — L1)
Интерф ейс
шины
Рис. 2.2. О сновные компоненты процессора Pentium
2 .1 . Структуры и архитектуры ЭВМ
101
пускающие спаривание с другими командами: регистр—ре­
гистр, память—регистр, регистр—память, переходы, вызо­
вы, арифметико-логические операции);
• п ре дс каз ат ель переходов (Branch Predi ct or) —
блок, который «пытается угадать» направление ветвления
"программы и заранее загрузить информацию в блоки предвыборки и декодирования команд [12];
•буфер
адреса
переходов
(Branch
Target
B u f f e r — В Т В). Обеспечивает динамическое предсказа­
ние переходов. Он улучшает выполнение команд путем за­
поминания состоявшихся переходов (256 последних пере­
ходов) и с опережением выполняет наиболее вероятный пе­
реход при выборке команды ветвления. При статических
методах предсказания предписывается всегда выполнять
или нет определенные виды переходов. При динамических
методах исследуется поведение команд перехода за предше­
ствующий период;
• б л о к п л а в а ю щ е й т о ч к и ( F l o a t i n g P o i n t Un i t ) .
Выполняет обработку чисел с плавающей точкой;
• к э ш - п а м я т ь 1 - г о у р о в н я ( L e v e l 1 c a c h e ) . Про­
цессор имеет два банка памяти по 8 Кбайт, один — для ко­
манд, второй — для данных, которые обладают большим
быстродействием, чем более емкая внешняя кэш-память
(L2 cache).
• и н т е р ф е й с ш и н ы ( Bu s I n t e r f a c e ) . Передает в ЦП
поток команд и данных, а также передает данные из ЦП.
В н е ш н и е ( п е р и ф е р и й н ы е ) у с т р о й с т в а (В У ). ВУ
обеспечивают взаимодействие с окружающей средой — пользо­
вателями, объектами управления, другими машинами.
И н т е р ф е й с ы служат для сопряжения центральных узлов
машины с ее внешними устройствами.
Однотипные ЦУ и устройства хранения данных могут ис­
пользоваться в различных типах машин. Известны примеры
того, как фирмы, начавшие свою деятельность с производства
управляющих машин, совершенствуя свою продукцию, перешли
к выпуску систем, которые в зависимости от конфигурации ВУ
могут исполнять как роль универсальных, так и управляющих
машин (машины Hewlett-Packard — HP и Digital Equipment
Corporation — DEC).
102
Глава 2. Основные архитектурные принципы ЭВМ. Интерфейсы
Архитектуры ЭВМ
Архитектура «звезда». Здесь процессор (ЦУ) — рис. 2.3, а —
соединен непосредственно с ВУ и управляет их работой (ранние
модели машин). Этот тип также именуется к л а с с и ч е с к а я
а р х и т е к т у р а (фон Неймана) — одно арифметико-логическое
устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно
устройство управления (УУ), через которое проходит поток ко­
манд — программа. Это однопроцессорный компьютер.
Принстонская и гарвардская архитектуры. Архитектуру фон
Неймана часто отождествляют с п р и н с т о н с к о й а р х и т е к ­
т у р о й , которая характеризуется использованием общей опера­
тивной памяти для хранения программ и данных. Г а р в а р д ­
с к а я же архитектура характеризуется физическим разделением
памяти команд (программ) и памяти данных. Элементы гарвард­
ской архитектуры часто используются в современных процессо­
рах, когда в кэш-памяти ЦП выделяется п а м я т ь к о м а н д
(I-cache) и п а м я т ь д а н н ы х (D-cache).
Иерархическая архитектура (рис. 2.3, б) — ЦУ соединено с
периферийными процессорами (вспомогательными процессора­
ми, каналами, канальными процессорами), управляющими в
свою очередь контроллерами, к которым подключены группы
ВУ (системы IBM 360-375, ЕС ЭВМ);
Магистральная структура (общая шина — unibas, рис. 2.3, в) —
процессор (процессоры) и блоки памяти (ОП) взаимодействуют
между собой и с ВУ (контроллерами ВУ) через внутренний ка­
нал, общий для всех устройств (машины DEC, IBM PC-совмес­
тимые ПЭВМ).
Технически шина представляет собой набор проводников
(линий), соединяющий различные компоненты компьютера для
подвода к ним питания и обмена данными. В минимальной ком­
плектации шина имеет три типа линий:
управления; адреса; данных.
К этому типу архитектуры относится также архитектура пер­
сонального компьютера (ПК). Конечно, реальная структура ПК
(рис. 2.3, г) отличается от теоретических схем — здесь использу­
ется несколько разновидностей шинных интерфейсов, которые
соединяются между собой м о с т а м и — контроллерами памяти
(Northbridge, «Северный мост») и периферийных устройств
(Southbridge, «Южный мост»).
2 .1 . Структуры и архитектуры ЭВМ
103
а
6
Рис. 2.3. О сновные классы архитектур ЭВМ:
а — централизованная; б — иерархическая; в — магистральная; г — общая струк­
тура персонального компьютера — архитектура Northbridge/Southbridge
104
Глава 2. Основные архитектурные принципы ЭВМ. Интерфейсы
Здесь приведен пример набора микросхем (chipset) Triton 430 ТХ:
• Northbridge — микросхема 82439ТХ System Controller, МТХС.
Интегрирует контроль кэш-памяти, ОП и шины PCI;
• Southbridge — 82371АВ PCI ISA IDE Xcelerator, PIIX4 —
многофункциональное устройство, реализующее связь
PCI— ISA, функции концентратора (hub) USB и функции
управления потреблением электроэнергии (Enhanced Power
Management). Здесь реализована Dynamic Power Manage­
ment Architecture (DPMA) — архитектура динамического
управления энергопотреблением. Поддерживается также
протокол прямого обращения к памяти (Ultra DMA), кото­
рый обеспечивает скорость передачи в 33 Мбайт/с с НЖМД.
Современные системы включают два типа шин:
• системная шина, соединяющая процессор с ОП и кэш -па­
мятью 2-го уровня;
• множество шин ввода-вывода, соединяющие процессор с
различными периферийными устройствами.
Системная шина при архитектуре DIB (Dual independent
bus, двойная независимая шина) физически разделена на две
(рис. 2.3, г):
• первичная шина (FSB, frontside bus), связывающая процес­
сор с ОП и ОП с периферийными устройствами;
• вторичная шина (BSB, backside bus) для связи с кэш -па­
мятью.
Использование двойной независимой шины повышает про­
изводительность за счет возможности для процессора параллель­
но обращаться к различным уровням памяти. Обычно термины
«FSB» и «системная шина» используют как синонимы.
Следует иметь в виду, что терминология, используемая в на­
стоящее время для описания интерфейсов, не является вполне
однозначной и ясной. Системная шина часто упоминается как
«главная шина», «хост-шина», «шина процессора», или «локаль­
ная шина». Для шин ввода-вывода используются термины «шина
расширения», «внешняя шина» и опять же — «локальная шина».
Открытая архитектура IBM-PC и ее развитие
Впервые реализованная в машинах IBM PC, IBM PC/XT
и PC/AT концепция о т к р ы т о й а р х и т е к т у р ы предполага­
ет, что периферийные устройства связываются с ЦУ (процессор
2 .1 . Структуры и архитектуры ЭВМ
105
и ОП) посредством сменных карт расширения (или адаптеров),
содержащих электронику, согласующую ЦУ и периферию —
рис. 2.4. Развитие или замена одних внешних устройств на дру­
гие в таких условиях сопровождается простой заменой карты.
1
Рис. 2.4. Открытая архитектура IBM PC:
/ — системная плата (процессор, память, chipset); 2 — внутренний интерфейс
(ISA, MCA, SCSI, LPC, A G P, HyperTransport, PC I, PC I-X и пр.); 3 — плата рас­
ширения (адаптер, интерфейсная карта, контроллер внешнего устройства); 4 —
интерфейс внешнего устройства (RS-232, Centronics, USB, Firewire, инф ракрас­
ный, eSATA, Bluetooth и пр.); 5 — периферийное устройство (клавиатура, мони­
тор, принтер, сканер и пр.)
Системные платы и их разновидности. С и с т е м н у ю п л а т у также называют г л а в н о й (mainboard) или м а т е р и н ­
с к о й (motherboard), иногда — о б ъ е д и н и т е л ь н о й платой.
Это — основная монтажная схема внутри ПК, на которой распо­
лагаются процессор, память, слоты расширения и которая непо­
средственно или косвенно присоединяется к каждой части ПК.
На рисунках ниже иллюстрируются компоненты для двух ти­
пичных плат:
• Baby АТ (ВАТ), где используется разъем Socket 7 для при­
соединения процессора, приблизительно 1995 г. (рис. 2.5,
2.7, а)• АТХ с разъемом Slot 1 для присоединения процессора
Pentium II, типичный для системных плат, на рынке с кон­
ца 1998 г. (рис. 2.6, 2.7, б).
Открытая архитектура первых ПК предполагала минимум
устройств, контроллеры которых были интегрированы в систем­
ную плату (например, порт для клавиатуры). Все остальные,
включая адаптер дисплея, принтера, модема, НГМД или кон­
троллер жесткого диска, являлись дополнительными компонен­
тами, подключаемыми через разъемы расширения.
В конце 1990-х гг. обозначилась тенденция к помещению
адаптеров периферийных устройств непосредственно на систем-
106
Глава 2. Основные архитектурные принципы Э8М. Интерфейсы
П итание
TAGRAM
Клавиатура
и мышь
Набор микросхем
Triton
Кэш -ламять
“
/
Гнездо
COAST
Разъемы
S IM M
Разъем
Socket 7
Слоты P C I и ISA
Литиевы е аккумуляторы
д ля R T C
Батареи
для B IO S /C M O S
Рис. 2.5. Плата ВАТ, общий вил
Параллельный порт,
2 последовательных
порта (9 контактов)
Разъемы ISA и PCI
Разъемы
PS/2 для
мыши
и клавиатуры
Разъем
USB
Набор
микросхем
(чипсет)
Intel
Triton 440ВХ
Разъем
Slot 1
Флэш
BIOS
Питание
аккумулятор
___ г .__
______
SCSI ctiipset
UltraSCSI
UltraW IDE
SCSI
UltraDMA
EIDE
Рис. 2.6. Плата ATX
Соединитель
НГМД
2 .1 . Структуры и архитектуры ЭВМ
107
в
Рис. 2.7. Разъемы и интерфейсы, размещенные на задней панели корпусов:
а — плата Baby АТ (схематическое изображение), б — АТХ (то же); в — общ ий
вил некоторых типов внешних интерфейсов: 1 — разъем для подсоединения
шнура электропитания монитора (на ATX-корпусах может отсутствовать); 2 —
разъем для подключения компьютера к сети переменного тока; 3 — разъем для
подсоединения клавиатуры PS/2 (м ини-D IN , 6 штырьков); 4 — разъем для под­
соединения клавиатуры D IN -5; 5 — разъем для подключения мыши PS/2; 6 —
USB—порты; 7 — последовательный порт (COM 2); 8 — последовательный порт
(C O M I); 9 — параллельный порт (LPT); 10 — видеовыход (VGA/SVGA); 11 —
разъем для подключения локальной сети (в соответствии с моделью компью те­
ра); 1 2 — M ID I/G am e порт (в соответствии с моделью компьютера); 13 — гнезда
для подключения внешних аудиосистем (в соответствии с моделью компьютера)
ную плату и через какое-то время было интегрировано значи­
тельное количество устройств, однако многие из них — графика,
сетевой интерфейс, устройства SCSI и звуковые — все же про­
должали оставаться съемными. Этот процесс шел медленно, на­
пример порты ввода-вывода и контроллеры диска еще в 1995 г.
часто размещались на платах расширения. Изготовители посто­
янно экспериментировали с различными уровнями интеграции,
встраивая некоторые или даже все эти компоненты в системную
плату. Однако есть очевидное препятствие — труднее модерни­
зировать сборку, поскольку интегрированные компоненты не
могут быть удалены. Для высокоинтегрированных системных
плат часто требуется нестандартный корпус, при этом для заме-
108
Глава 2. Основные архитектурные принципы ЭВМ. Интерфейсы
ны отдельного дефектного компонента может потребоваться вы­
браковка системной платы.
Следовательно, те части системы, спецификация которых
изменяется наиболее быстро — оперативная память, централь­
ный процессор и графика — целесообразнее размещать в гнездах
для облегчения замены. Точно так же обычно удаляются из ос­
новной спецификации (чтобы уменьшить затраты) компоненты,
используемые не всеми пользователями, например сетевые ин­
терфейсы или SCSI.
2.2. Коммутаторы. Шины. Внутренние интерфейсы
Функция коммутации является одной из основных интер­
фейсных функций. Известны как п р о с т ы е , так и с о с т а в ­
н ы е коммутаторы. В силу ряда физических ограничений про­
стые коммутаторы могут соединять лишь малое число устройств,
однако обеспечивают при этом минимальную задержку при ус­
тановлении соединения. Составные коммутаторы, обычно
строящиеся из простых в виде многокаскадных схем с помощью
линий «точка—точка», преодолевают ограничение на малое ко­
личество соединений, однако увеличивают задержки.
Связь устройств автоматизированных систем друг с другом
осуществляется с помощью средств сопряжения, которые назы­
ваются интерфейсами. Интерфейс представляет собой совокуп­
ность линий и шин, сигналов, электронных схем и алгоритмов
(протоколов), предназначенную для осуществления обмена ин­
формацией между устройствами.
В соответствии с функциональным назначением интерфейсы
можно поделить на следующие основные классы:
• системные интерфейсы ЭВМ;
• интерфейсы периферийного оборудования (общие и специализированые);
• программно-управляемых модульных систем и приборов;
• интерфейсы сетей передачи данных и др.
Мы предполагаем здесь рассмотреть внутренние интерфейсы
(шины, табл. 2.1) и внешние интерфейсы (порты, см. табл. 2.11).
Интерфейсы мониторов (и видеопроекторов) рассмотрены далее
(гл. 5).
2 .2 . Коммутаторы. Шины. Внутренние интерфейсы
109
Простые коммутаторы. Шины
Известно два основных типа простых коммутаторов — с вре­
менным и с пространственным разделением. Первые называют­
ся также ш и н а м и или шинными структурами (рис. 2.3, г).
Обычно шина является пассивным элементом, управление пере­
дачами осуществляется передающими и принимающими устрой­
ствами.
Шины, объединяющие устройства, из которых состоит вы­
числительная система, являются критическим ресурсом, отказ
которого может привести к отказу всей системы. Кроме того, в
каждый момент времени шина используется для передачи толь­
ко одним устройством, что становится узким местом при увели­
чении количества подключенных устройств. Пропускная способ­
ность шины определяется ее шириной (количеством линий пе­
редачи данных) и тактовой частотой.
Устройства, подключенные к шине, делятся на две основных
категории:
• активные (bus master) — устройства, способные управлять
работой шины, т. е. инициировать запись/чтение и т. д.;
• пассивные (bus slave) — соответственно, устройства, кото­
рые могут только отвечать на запросы.
Процесс передачи выглядит следующим образом. Передаю­
щее (активное) устройство вначале получает доступ к шине,
затем пытается установить контакт с устройством-адресатом и
определить его способность к приему данных. Принимающее
устройство распознает свой адрес на шине и отвечает на за­
прос передающего. Далее передающее устройство сообщает, ка­
кие действия именно должно произвести принимающее уст­
ройство в ходе взаимодействия. После этого происходит пере­
дача данных.
Так как шина является общим ресурсом, за доступ к кото­
рому соревнуются подключенные к ней устройства, то необхо­
димы методы управления предоставлением доступа устройств к
шине. Возможно использование центрального устройства для
управления доступом к шине, однако это уменьшает масштаби­
руемость и гибкость системы. Для разрешения конфликтов,
возникающих при одновременном запросе устройств на доступ
к шине, используются различные приемы ( а л г о р и т м ы а р ­
битража).
110
Глава 2. Основные архитектурные принципы ЭВМ. Интерфейсы
Таблица 2.1. Основные характеристики внутренних интерфейсов
Стандарт
Типичное применение
Пиковая пропускная спо­
собность
Примечания
ISA
Звуковые карты,
модемы
От 2 до 8 ,3 3 М байт/с
Практически не использует­
ся начиная с 1999 г.
EISA
Сети, адаптеры SCSI
3 3 М байт/с
Практически не использует­
ся, замещается PCI, LPC
LPC
Последоватепьный и па­
раллельный порты ,кла­
виатура, мышь, контрол­
лер НГМД
Как ISA/EISA
Предложена Intel в 1998 г.
как замена дпя шины ISA
PCI
1 33 М байт/с (32-би то­
вая шина с частотой
3 3 М Гц)
Стандарт дпя периферийных
устройств
PCI-X
1 Гбайт/с (64-битовая
шина с частотой
133 М Гц)
Расширение PCI, предпоженное IB M , HP, Compaq. Увепичена скорость и количество
устройств
До 16 Гбайт/с
Разработка «интерфейса
3 -го покопения» (Third
generation Input/Output —
3 G I0 ), м ож ет заменить AGP.
Поспедоватепьная шина
Графические карты
4 ,2 6 Гбайт/с
(8 х 6 4 бит)
Стандарт дпя Intel-PC начи­
ная с Pentium II сосуществу­
ет с PCI
3 0 -гр а ф и ка
8 0 0 М байт/с (4x-m ode)
Поддерживает видеокарты,
требующие мощность до
1 00 Вт (AGP — до 25 Вт)
До 51 Гбайт/с
Разработка A M D для процес­
соров К 7 — К8
Графические карты,
адаптеры SCSI, звуковые
карты новых поколений
PCI Express
AGP
AGP PRO
HT (Гипер­ Универсальный
Транспорт) интерфейс
Шины ISA и EISA
ISA (Industry Standard Architecture) — стандартные шины IBM
PC XT (8 бит) и AT (16 бит). Ш ина XT имеет:
• 8-битовую шину данных;
• 20-битовую шину адреса, что позволяет адресоваться к 220
бит (1 Мбайт) памяти;
• три канала прямого доступа к памяти (DMA);
• тактовую частоту 8 МГц;
2 .2 . Коммутаторы. Шины. Внутренние интерфейсы
111
• пропускную способность 4 Мбайт/с.
• 62-контактный разъем.
Ш ина XT поддерживает централизованный метод арбитража,
для этого в ней имеются общие линии запроса и ответа. Для
обеспечения арбитража всем устройствам присваивается фикси­
рованный уровень приоритета. Шина снабжена 5 линиями за­
проса на прерывания от различных устройств ПЭВМ к ЦП (цен­
тральному процессору) для привлечения его внимания. Каждая
линия имеет фиксированный приоритет. Запуск процедуры пре­
рывания производится по фронту сигнала.
В компьютерах АТ шину расширили до 16 бит данных и
24 бит адреса. Ш ина АТ имеет:
• 6-битовую шину данных;
• 24-битовую шину адреса, что позволяет адресовать 16 Мбайт
памяти;
• 8 каналов прямого доступа (DMA);
• тактовую частоту 8—16 МГц.
М аксимальная скорость передачи данных составляет
8 Мбайт/с (8 МГц х 16 бит= 128 Мбит/с, 128 Мбит/с / 2 (пере­
дача данных требует от 2 до 8 тактов) = 64 Мбит/с = 8 Мбайт/с.
EISA (Extended Industry Standard Architecture) — 32-разрядное
расширение шины ISA с полной обратной совместимостью. Ос­
новные характеристики новой шины:
• 32-разрядная передача данных;
• максимальная пропускная способность — 33 Мбайт/с;
• 32-разрядная адресация памяти позволяла адресовать до
4 Гбайт;
• поддержка многих активных устройств (bus master);
• возможность задания уровня двухуровневого (edge-trigge­
red) прерывания (что позволяло нескольким устройствам
использовать одно прерывание, как и в случае многоуров­
невого (level-triggered) прерывания);
• автонастройка плат расширения.
Как и в случае 16-разрядного расширения, новые возможно­
сти обеспечивались путем добавления новых линий. Поскольку
дальше удлинять разъем ISA было некуда, разработчики нашли
оригинальное решение: новые контакты были размещены между
контактами шины ISA и не были доведены до края разъема.
Специальная система выступов на разъеме и щелей в EISA-кар­
тах позволяла им глубже заходить в разъем и подсоединяться к
новым контактам.
112
Глава 2. Основные архитектурные принципы ЭВМ. Интерфейсы
LPC
Шина Low Pin Count («малоконтактный* интерфейс), или
LPC, используется на IBM-совместимых персональных компью­
терах для подсоединения низкоскоростных устройств, таких, как
«преемственные» (legacy) устройства ввода-вывода (последова­
тельный и параллельный порты, клавиатура, мышь, контроллер
НГМД). Физически LPC обычно подсоединяется к чипу «Юж­
ного моста». Шина LPC была предложена Intel в 1998 г. как за­
мена для шины ISA (рис. 2.8, а).
Ч астота PC I
б
Рис. 2.8. И нтерфейс Low Pin C ount IT8705F (о); локальны е шины (б)
Спецификация LPC определяет 7 электросигналов для дву­
направленной передачи данных, 4 из которых несут мультиплек­
сированные адрес и данные, оставшиеся 3 — управляющие сиг­
налы (кадр, сброс, синхросигнал).
Шина LPC предусматривает только 4 линии вместо 8 или 16
для ISA, но она имеет полосу пропускания ISA (33 МГц). Дру­
гим преимуществом LPC является то, что количество контактов
для присоединяемых устройств равно 30 вместо 72 для эквива­
лента ISA.
Локальные шины
Попытки улучшить системные шины за счет создания шин
MCA и EISA имели ограниченный успех и кардинальным обра­
зом не решали проблемы. Все описанные ранее шины имеют об­
щий недостаток — сравнительно низкую пропускную способ­
ность, поскольку они разрабатывались в расчете на медленные
процессоры. В дальнейшем быстродействие процессора возраста­
2.2. Коммутаторы. Шины. Внутренние интерфейсы
113
ло, а характеристики шин улучшались в основном экстенсивно,
за счет добавления новых линий. Препятствием для повышения
частоты шины являлось огромное количество выпущенных плат,
которые не могли работать на больших скоростях обмена (MCA
это касается в меньшей степени, но эта архитектура не играла за­
метной роли на рынке). В то же время в начале 90-х гг. в мире
персональных компьютеров произошли изменения, потребовав­
шие резкого увеличения скорости обмена с устройствами:
• создание процессоров Intel 80486, работающих на частотах
до 66 МГц;
• увеличение емкости жестких дисков и создание более бы­
стрых контроллеров;
• разработка и активное продвижение на рынок графических
интерфейсов пользователя (типа Windows или OS/2) приве­
ли к созданию новых графических адаптеров, поддержи­
вающих более высокое разрешение и большее количество
цветов (VGA и SVGA).
Очевидным выходом из создавшегося положения является
следующий — осуществлять часть операций обмена данными,
требующих высоких скоростей, не через шину ввода-вывода, а
через шину процессора, примерно так же, как подключается
внешний кэш. При этом шина работает с частотой, соответст­
вующей тактовой частоте процессора. Передачей данных управ­
ляет не центральный процессор, а плата расширения (мост), ко­
торый высвобождает микропроцессор для выполнения других
работ. Локальная шина обслуживает наиболее быстрые устройст­
ва: память, дисплей, дисковые накопители, при этом обслужива­
ние сравнительно медленных устройств — мышь, модем, прин­
тер и др. — производится системной шиной типа ISA (EISA).
Такая конструкция получила название л о к а л ь н о й ш и н ы (Local Bus) — рис. 2.8, 6. Локальная шина не заменяла собой
прежние стандарты, а дополняла их. Основными шинами
по-прежнему оставались ISA или EISA, но к ним добавлялись
один или несколько слотов локальной шины. Первоначально
эти слоты использовались почти исключительно для установки
видеоадаптеров, при этом к 1992 г. было разработано несколько
несовместимых между собой вариантов локальных шин, исклю­
чительные права на которые принадлежали фирмам-изготовителям. Отсутствие стандарта сдерживало распространение локаль­
ных шин, поэтому ассоциация VESA (Video Electronic Standard
8-
1814
114
Глава 2. Основные архитектурные принципы ЭВМ. Интерфейсы
Association), представляющая более 100 компаний, предложила в
августе 1992 г. свою спецификацию локальной шины.
Локальная шина VESA (VL-bus) исторически появилась пер­
вой и была создана специально для лучшего микропроцессора
того времени 480DX/2. В зависимости от используемого цен­
трального процессора тактовая частота шины может составлять
от 20 до 66 МГц. Основные характеристики VL-bus:
• поддержка процессоров серий 80386 и 80486. Шина разра­
ботана для использования в однопроцессорных системах,
при этом в спецификации предусмотрена возможность
поддержки х86-несовместимых процессоров с помощью
моста (bridge chip);
• максимально число активных устройств — три (не включая
контроллер шины). При необходимости возможна установ­
ка нескольких подсистем для поддержки большего числа
устройств. Шина была разработана для поддержки видео­
контроллеров, но предусмотрена и поддержка других уст­
ройств (например, контроллеров жесткого диска);
• стандарт допускает работу шины на частоте до 66 МГц, од­
нако электрические характеристики разъема VL-bus огра­
ничивают ее 50 МГц (это ограничение, естественно, не от­
носится к интегрированным в системную плату устрой­
ствам);
• двунаправленная (bi-directional) 32-разрядная шина данных
поддерживает и 16-разрядный обмен. В спецификацию за­
ложена возможность 64-разрядного обмена;
• максимальная теоретическая пропускная способность
шины —160 Мбайт/с (при частоте шины 50 МГц), стан­
дартная — 107 Мбайт/с при частоте 33 МГц;
• реализован пакетный режим обмена (для системных плат
80486, поддерживающих этот режим), пять линий исполь­
зуются для идентификации типа и скорости процессора,
сигнал Burst Last — для активизации этого режима;
• поддерживается как интегрированный кэш процессора, так
и кэш на системной плате;
• напряжение питания — 5 В. Устройства с уровнем выход­
ного сигнала 3,3 В поддерживаются при условии, что они
могут работать с уровнем входного сигнала 5 В.
VL-bus была несомненным лидером на рынке, так как позво­
ляла устранить узкое место сразу в двух подсистемах — видео­
подсистеме и подсистеме обмена с жестким диском. Однако ли­
2 . 2 . Коммутаторы. Шины. Внутренние интерфейсы
115
дерство было недолгим, поскольку корпорация Intel разработала
свою новинку — шину PCI.
Шина P C I (Peripheral Component Interconnect bus). Основные
возможности шины следующие (рис. 2.9):
• синхронный 32- или 64-разрядный обмен данными
(64-разрядная шина в настоящее время используется толь­
ко в Alpha-системах и серверах на базе процессоров Intel
Хеоп). При этом для уменьшения числа контактов (и стои­
мости) используется мультиплексирование, т. е. адрес и
данные передаются по одним и тем же линиям;
• частота работы шины 33 или 66 МГц (в версии 2.1) позволяет
обеспечить широкий диапазон пропускных способностей
(с использованием пакетного режима) — 132 Мбайт/с
(32-бит/33 МГц); 264 Мбайт/с (32-бит/66 МГц); 264 Мбайт/с
(64-бит/ЗЗ МГц); 528 Мбайт/с (64-бит/ 66 МГц). При этом
для работы шины на частоте 66 МГц необходимо, чтобы все
периферийные устройства работали на этой частоте;
• полная поддержка многих активных устройств (например,
несколько контроллеров жестких дисков могут одновре­
менно работать на шине);
а
б
в
Рис. 2.9. Ш ина PCI:
а — архитектуры шин РС1 (/); PC I-E (2); б — разъем 32-разрядной шины с на­
пряжением питания 5 В; в — разъем на 32 разряда с напряжением питания 3,3 В
116
Глава 2. Основные архитектурные принципы ЭВМ. Интерфейсы
• спецификация шины позволяет комбинировать до восьми
функций на одной карте (например, видео, звук и т. д.).
Известны также более поздние разновидности — PCI-Х и
PCI-Express, кроме того, к данному типу относится и PCMCIA —
стандарт на шину для ноутбуков. Она позволяет подключать рас­
ширители памяти, модемы, контроллеры дисков и стримеров,
SCSI-адаптеры, сетевые адаптеры и др.
P C 1 - Х . PCI-Х не только увеличивает скорость РС1-шины,
но также и число высокоскоростных слотов. В обычной шине
PCI-слоты работают на 33 МГц, а один слот может работать при
66 МГц. PCI-Х удваивает производительность стандарта PCI,
поддерживая один 64-битовый слот на частоте 133 МГц, а об­
щую производительность увеличивает до 1 Гбайт/с. Новая спе­
цификация также предлагает расширенный протокол для увели­
чения эффективности передачи данных и снизить требования к
электропитанию.
Развитием интерфейсов PCI и PCI-Х является PC Express
(PCI-Х, см. с. 121).
Интерфейс PCMCIA. С появлением портативных компьюте­
ров возникла проблема универсального и компактного интер­
фейса для подключения внешних устройств. В качестве такого
интерфейса стандартом де-факто стал интерфейс PCMCIA, под­
держиваемый Ассоциацией PCMCIA (Personal Computer Memory
Card International Association), объединяющей компании, разра­
батывающие периферийные устройства для портативных компь­
ютеров. Аббревиатура PCMCIA вызывала много нареканий своей
труднопроизносимостью. Существует даже шутливая интерпрета­
ция PCMCIA как «People Can't Memorize Computer Industry
Acronyms», что переводится как «Люди не в состоянии запомнить
компьютерные аббревиатуры». В результате для PCMCIA сегодня
принято использовать более благозвучный термин PC Card.
Устройства PC Card размером с обычную кредитную карточ­
ку являются альтернативой платам расширения, подключаемым
к шине ISA. В этом стандарте выпускаются (см. далее гл. 3) мо­
дули памяти, модемы и факс-модемы, SCSI-адаптеры, сетевые
карты, звуковые карты, винчестеры (IBM Microdrive), интерфей­
сы CD-ROM и т. д.
Первая версия стандарта PC Card для связи между картой и
соответствующим устройством (адаптером или портом) компью­
тера определяет 68-контактный механический соединитель. На
нем выделены 16 разрядов под данные и 26 разрядов под адрес,
2 . 2 . Коммутаторы. Шины. Внутренние интерфейсы
117
Таблица 2.2. Размеры карт второй версии PC Card
Тип карты
Длина, мм
Ширина, мм
3,3
Type 1
Type II
Type III
Толщина, мм
85,6 (3 ,3 7 ')
54 (2,12")
5 ,0 в середине и 3 ,3 по краям
10,5 в середине и 3,3 по краям
что позволяет непосредственно адресовать 64 Мбайта памяти.
На стороне модуля PC Card расположен соединитель-розетка, а
на стороне компьютера — соединитель-вилка. Кроме того, стан­
дарт определяет три различные длины контактов соедините­
ля-вилки. Поскольку подключение и отключение PC Card может
происходить при работающем компьютере (так называемое «го­
рячее»), то для того, чтобы на модуль сначала подавалось напря­
жение питания, а лишь затем напряжение сигнальных линий,
соответствующие контакты выполнены более длинными.
Вторая версия спецификации PC Card предусматривает
3 разновидности (см. табл. 2.2). Для увеличения пропускной
способности шины PCMCIA была предложена спецификация
CardBus, которая является расширением шины PCI для уст­
ройств PC Card. Платы CardBus поддерживают 32-разрядный об­
мен на частоте 33 МГц. В этом конструктиве выпускаются сете­
вые карты (100 Мбит/с), интерфейсные платы SCSI и другие
устройства, требующие быстрого обмена по шине.
В дополнение к электрическим и физическим спецификаци­
ям стандарт PC Card определяет программную архитектуру, что­
бы обеспечить самоконфигурирование для широкого диапазона
изделий. Это программное обеспечение составлено из «сервиса
гнезда» и «сервиса карты» и поддерживает способность к взаи­
модействию (интероперабельность) PC Card.
Начиная со стандарта PC Card появилось множество новых
интерфейсов расширения, облегчающих подключение внешних
устройств, расширение памяти или обеспечение сетевой связи
(табл. 2.3, см. также рис. 3.25).
Из-за ограничений в размере и электропитании интерфейсы
PC Card не встраивают в устройства карманных ПК (КПК).
Вместо этого они реализуются в стыковочных узлах, прилагае­
мых к КПК. Поскольку слоты PC Card широко распространены
среди портативных компьютеров, PC Card часто используются
как адаптеры для других карт расширения меньших размеров.
118
Глава 2. Основные архитектурные принципы ЭВМ. Интерфейсы
Таблица 2.3. Микроинтерфейсы расширения
Тип
Описание
PC Card
PC Card Type III не пригодны для использования в
слотах для модулей Type I и II, требуют так назы­
ваемые слоты двойной высоты. Модули Type III
содержат обычно ж есткие диски
Springboard
Разработан Handspring для устройств Visor (кар­
манные компьютеры). Среди периферийных карт
имеет наибольший ф изический объем. Обеспечи­
вает самую высокую скорость передачи данных,
потому что позволяет устройству ввода-вывода
соединяться непосредственно с шиной процессо­
ра, а также м ожет иметь собственную батарею пи­
тания
CompactFlash
Sm artM edia
M em ory Stick
Индустриальный стандарт интерфейса расширения
для портативных устройств. Ш ироко распростра­
нен, и хотя размер карты является относительно
малым, она обеспечивает достаточно места, чтобы
осуществлять множество ф ункций. Используется
для добавления памяти цифровым камерам , пор­
тативным проигрывателям M P 3, а также поддер­
живает последовательные порты, модемы, сетевые
карты Ethernet, приложения сотовой связи, прием ­
ники спутниковых програм м и устройства GSP
Toshiba, являясь владельцем торговой марки, сде­
лал спецификацию доступной бесплатно в про­
мышленности в расчете на создание стандарта
де-ф акто. Не все S m artM edia-карты взаимозам е­
няемы, поскольку некоторые требуют 5,0 В от при­
соединяемого устройства, другие — 3 ,3 В, а тре­
тьи могут приспособиться к любому напряжению
Разработанный Sony и Fujitsu носитель, который
имеет сравнительно маленький размер и может
использоваться для относительно немногих ф унк­
ций. Самое обычное испопьзование — среда па­
мяти. Существует ф орм ат M em ory Stick, поддер­
жанный индустрией музыки под названием «Вол­
шебные Ворота» (M agic Gate), удовлетворяет
спецификации S D M I
Размеры карты
5 4,0 мм
36.0 мм
3 7,0 мм
8,010
21,5 мм
2.2. Коммутаторы. Шины. Внутренние интерфейсы
119
Окончание табл. 2.3
M ultiM ediaCard
Описание
Созданный в соответствии с объединенным согла­
шением м ежду Siem ens, Hitachi, и SanDisk, интер­
фейс имеет размер почтовой марки
Размеры карты
32,0 мм
Тип
1 ,075
мм3
2 4,0 мм
Secure Digital (SD) Ф орм ат включает патентованные ф ункции защ и­
ты, встроенные в контроллер карты, которые об­
легчают безопасный обмен содержанием м ежду
устройствами и картой. Уровень защиты был уси­
лен, чтобы удовлетворять сегодняшним и будущим
требованиям S D M I к портативным устройствам
2
2
О
см*
со
1,613
мм3
2 4,0 мм
Например, карта адаптера PC Card-to-CompactFlash позволяет
CompactFlash-KapTe быть вставленной в PC Card. Подобные
адаптеры были разработаны также для карт Memory Stick,
MultiMediaCard, Secure Digital и SmartMedia.
AGP (Accelerated graphics p o rt)
Несмотря на разрядность и скорость шины PCI, оставалась
задача, которая превышала ее возможности — выдача графиче­
ской информации. Если для адаптера CGA (4 = 22 цвета, экран
320 х 200 точек, частота 60 Гц) необходима пропускная способ­
ность, равная 2 х 320 х 200 х 60 = 7 680 000 бит/с = 960 Кбайт/с,
адаптер XGA (216 цветов, экран 1024x 768 пикселей, часто­
та 75 Гц) требует 16 x 1024x 758 x 75 = 9 433 718 400 б и т /с «
« 118 Мбайт/с, в то время как пиковая пропускная способность
PCI составляла до 132 Мбайт/с.
Фирмой Intel было предложено (1998 г.) решение — AGP
(Accelerated graphics port, порт ускоренного графического выво­
да). При частоте шины в 66 МГц она была способна передавать
два блока данных за один такт. Пропускная способность шины
составляет 500 Мбайт/с (V2.0) при двух режимах работы: DMA и
Execute. Основным же преимуществом AGP является возмож­
ность хранения текстур в оперативной памяти. При этом скоро­
сти работы шины AGP хватает для их своевременной передачи в
видеопамять (работа в режиме DMA). В режиме Execute опера­
тивная и видеопамять воспринимаются как равноправные. Тек­
120
Глава 2. Основные архитектурные принципы ЭВМ. Интерфейсы
стуры выбираются блоками 4 Кбайт из общей памяти с помощью
таблицы GART (Graphic Adress Re-mapping Table) и передаются,
минуя локальную память видеокарты. Существует стандарт (под­
держиваемый чипсетами Intel и Via) AGP 4х, позволяющий по­
высить пропускную способность до 1 Гбайт/с.
Процессор Pentium
Кэш L2
Я д ро
1,0 Гбайт/с про цессора
5 2 8 М б а й т/с
AGP
ОЗУ
I 528 Мбайт/с | Схемы A GP1528 Мбакт/с
Текстуры
P C I 132 М6айт/с
[
I/O
I/O
к
Гр а ф и ч ес кая пл ата р а н е е
пом е щ ал ась здесь
Граф ическая карта
A G P 8х
П ер е д а ч а
и зоб раж ени й,
текстур и пр.
Граф ич еская ка р та
P C I Express
I9 1 5 G E xp ress
chipset
б
Рис. 2.10. Разновидности архитектур видеосистем:
а — схема взаимодействия элементов с использованием AGP; б — сравнение
использования A G P ( / ) и PCI Express (2)
2 .2 . Коммутаторы. Шины. Внутренние интерфейсы
121
Схемы AGP взаимодействуют непосредственно с четырьмя
источниками информации (Quadro port acceleration, рис. 2.10, а):
• процессором (кэш-память 2-го уровня);
• оперативной памятью;
• графической картой AGP;
• шиной PCI.
AGP функционирует на скорости процессорной шины (FSB).
При тактовой частоте 66 МГц, например, это в 2 раза выше, чем
скорость PCI, и позволяет достигать пиковой пропускной спо­
собности в 264 Мбайт/с. В графических картах, специально спро­
ектированных для AGP, передача происходит как по переднему,
так и по заднему фронту тактовых импульсов ЦП, что позволяет
при частоте 133 МГц осуществлять передачу со скоростью до
528 Мбайт/с (так называемая «2-х графика»). В дальнейшем была
выпущена версия AGP 2.0, которая поддерживала «4-х графику»,
или четырехкратную передачу данных за один такт ЦП.
PCI Express (PCI-E)
Стандарт PCI-E определяет гибкий, масштаби­
руемый, высокоскоростной, последовательный,
EXPRESS «горячего подключения» интерфейс, программно-совместимый с PCI. В отличие от предшественника, PCI-E
поддерживает систему связи «точка—точка», подобную Гипер­
Транспорту AMD, а не многоточечную схему, используемую в па­
раллельной шинной архитектуре. Это устраняет потребность в
шинном арбитраже, обеспечивает низкое время ожидания и упро­
щает «горячее» подключение-отключение системных устройств.
Архитектура PCI Expres обеспечивает полную полосу пропус­
кания 16 Гбайт/с. Топология шины PCI-Е содержит г л а в н ы й
м о с т (Host Bridge) и несколько оконечных пунктов (устройств
ввода-вывода). Многократные соединения «точка—точка» вводят
новый элемент — переключатель (ключ, switch) в топологию
системы ввода-вывода (рис. 2.9, а).
Интерфейс PCI-Е включает пары проводов — каналы (lane),
и единственная пара (РС1-Е-1апе) представляет собой интерфейс
PCI-Е 1х (800 Мбайт/с). Каналы могут быть соединены парал­
лельно, и максимум (32 канала — PCI-Е 32х) обеспечивает пол­
ную пропускную способность 16 Гбайт/с, достаточную, чтобы
поддерживать требования систем связи в обозримом будущем.
Глава 2. Основные архитектурные принципы ЭВМ. Интерфейсы
122
Одним из направлений развития PCI-Е является замена AGP
(см. рис. 2.10, б). Действительно, 8 Гбайт/с двунаправленной
пропускной способности достаточно для поддержки телевидения
высокого разрешения (HDTV). При этом данные технологии ха­
рактеризуются следующими особенностями:
• AGP — разделение полос пропускания для записи и чте­
ния; общая полоса пропускания — 2 Гбайт/с; оптимизиро­
вано для однозадачного режима;
• PCI Express — выделенные полосы для ввода и вывода; об­
щая полоса пропускания до 8 Гбайт/с; оптимизировано для
многозадачного режима.
Предполагается также, что PCI Express в дальнейшем сможет
заменить в чипсетах контроллер внешних устройств Southbridge,
но это не повлияет на функции контроллера оперативной памя­
ти Northbridge.
Контроллер ГиперТранспорт
-
Фирмой AMD была (процессор Hammer) предложе­
на архитектура ГиперТранспорт (HyperTransport),
обеспечивающая внутреннее соединение процессо­
ров
и элементов чипсета для организации
многоH y p e rT r e n e p o rtT
1
1
. . . . . . t . процессорных систем и повышения скорости пере­
дачи данных более чем в 20 раз (рис. 2.11, а).
В традиционной архитектуре с «Северным» и «Южным» мос­
тами транзакции памяти должны проходить через микросхему
«Северного моста» (см. рис. 2.3, г), что вызывает дополнитель­
ные задержки и снижает потенциальную производительность.
Чтобы избавиться от этого «узкого места» производительности,
корпорация AMD интегрировала контроллер памяти в процессо­
ры AMD64. Прямой доступ к памяти позволил существенно
уменьшить задержки при обращении процессора к памяти.
С увеличением тактовой частоты процессоров задержки станут
еще меньше.
В основу шины HyperTransport — универсальной шины межчипового соединения — положено две концепции: универсаль­
ность и масштабируемость. Универсальность шины HyperTrans­
port заключается в том, что она позволяет связывать между со­
бой не только процессоры, но и другие компоненты системной
платы. Масштабируемость шины состоит в том, что она дает
О
2 .2 . Коммутаторы. Шины. Внутренние интерфейсы
■
№
Тумш1»
r*o*POfV
„
;'N. г..•
123
1 Л I _^_ ■I—
и аг- мк и * *iO iv
Шина PCI (33 МГц/32 бита)
40-
41.6
20-
Гбайт/с
22,4
16
Z
К
12
Ё
10”
е
5 -
в
4.2
4.2
I
т
I
сс
«о £ ч«
к оQг:I
&
6 1.06 I
о
У32 64
ш32 Т64 Ч100ч 133
! МГц
If
I
3
2.1
т
0.2
3.2
I
1.6
1“ 1 0.6|
" ill
х 1 х 2 х 4 х в х 1 6 х32 х 1 6 х 3 2 х 1 х 4 хВ
33 МГи 66 МГц МГц
PCI-X
PCI
PCI Express
PCI
AGP
Express 2.0
Р ис. 2.11. Интерфейс HyperTransport:
а — общая архитектура; б — масштабируемость шин PCI и ГиперТранспорт
124
Глава 2. Основные архитектурные принципы ЭВМ. Интерфейсы
возможность наращивать пропускную способность в зависимо­
сти от конкретных нужд пользователя.
Устройства, связываемые по шине HyperTransport, соединя­
ются по принципу «точка—точка» (peer-to-peer), что подразуме­
вает возможность связывания в цепочку множества устройств
без использования специализированных коммутаторов. Передача
и прием данных могут происходить в асинхронном режиме, при­
чем передача данных организована в виде пакетов длиной до
64 байт. М асштабируемость ш ины HyperTransport обеспечивает­
ся посредством магистрали ш ириной 2, 4, 8, 16 и 32 бит в каж­
дом направлении. Кроме того, предусматривается возможность
работы на различных тактовых частотах (от 200 до 800 МГц).
При этом передача данных происходит по обоим фронтам такто­
вого импульса. Таким образом, пропускная способность шины
HyperTransport меняется от 200 М байт/с при использовании час­
тоты 200 М Гц и двух двухбитовых каналов до 12,8 Гбайт/с при
использовании тактовой частоты 800 МГц и двух 32-битовых ка­
налов (рис. 2.11, б).
ГиперТранспорт дополняет стандартные ш ины, такие, как
PCI или последовательные интерфейсы ввода-вывода, обеспечи­
вая высокую скорость соединения с ними. Д анная архитектура
предпочтительнее всего для серверов и рабочих станций.
2.3. Интерфейсы периферийных устройств
Спецификации PC 98, PC 99, PC 2001
По инициативе корпораций Intel и Microsoft были разработа­
ны рекомендации по конфигурированию П К , их компонентам и
характеристикам [1, 2].
В частности, в соответствии со спецификацией PC 98 (а также
более поздними), подсоединяемые устройства рекомендуется обо­
значать ярлыками, приведенными в табл. 2.4. Рассмотрим наибо­
лее распространенные интерфейсы периферийных устройств.
Интерфейс IDE
IDE (Integrated Device Electronics) — интерфейс устройств со
встроенным контроллером (рис. 2.12, 2.13). До недавнего време­
ни большая часть «интеллекта» для передачи данных между ком-
2.3. Интерфейсы периферийных устройств
125
Таблица 2.4. Рекомендуемые спецификацией PC 98 обозначения для устройств
и портов ПК
Символическое
обозначение
Описание
Символическое
обозначение
Шина расширения/
Сеть (Thicknet+Twisted)
докинг-станция
f
Описание
й й
t
Игровой порт (джойстик)
Параллельный порт/Принтер
4
А
Маушники
Шина S C S I
О
Клавиатура
|ЮЮ1|
Последовательный порт
Микрофон
lioioil
Последовательный порт 1
Аудиовход
Телефонная линия
( ( < 4
и
Аудиовыход
Телефонный аппарат
( С ф
Монитор
□
• 'С
»
б
Н
Мышь
Й
К
Интерфейс IEEE 1394
V
О
Шина USB
Внешний последовательный
интерфейс АТА
Беспроводной интерфейс
Bluetooth
FireWire
пьютером и дисковым накопителем была сосредоточена на плате
контроллера и компьютера, поэтому при установке нового или
замене старого накопителя требовалось обеспечить полную со­
вместимость контроллера с новым жестким диском. Контролле­
ры ID E существенно изменили ситуацию, так как в этом стан­
дарте значительно большую роль стал играть контроллер на пла­
те дисководного накопителя, поэтому фактический интерфейс
между накопителем и компьютером стал относительно простым.
В ID E впервые введена стандартная ш ина для обмена с к о н ­
троллером за счет использования совмещ енной с диском специ­
альной электроники для управления диском и этой шиной (отсю-
126
Глава 2. Основные архитектурные принципы ЭВМ. Интерфейсы
p H ©
I
r/с) I
-^Первичный интерфейс EIDE (11— 13 Мбайт/с)
Вторичный интерфейс E1DE
Системная плата
или дополнительная карта
v
%
Внутренний накопитель
на МД или МЛ,
совместимый с ЕЮЕ
Внутренний СО ROM
ипи дополнительный
НЖМД
Рис. 2.12. Интерфейс EID E
а
г
д
Рис. 2.13. Интерфейсы IDE/ATA:
а — кабель параллельного интерфейса АТА/ID E (РАТА); б — 40-контактный
разъем РАТА; в — разъемы РАТА на плате; г — последовательный разъем АТА
(SATA); д — разъемы SATA на плате
2.3. Интерфейсы периферийных устройств
127
да и название интерфейса). Трансляцию логических параметров в
ф изические осуществляет электроника диска. В качестве синони­
ма интерфейса ID E применяется термин АТА (AT Attachment).
Ф изически интерфейс ID E реализован с помощью плоского
40-жильного кабеля, на котором могут быть разъемы для под­
ключения одного или двух устройств (см. рис. 2.12, табл. 2.5).
Общая длина кабеля не должна превышать 45 см, причем между
разъемами должно быть расстояние не менее 15 см.
Таблица 2.5. Разъем параллельного интерфейса АТА
Контакт
1
Назначение
I Контакт
Сброс
2
Назначение
Земля
Контакт
3
Назначение
Данные 7
Контакт
4
Назначение
Данные 8
5
Данные 6
6
Данные 9
7
Данные 5
8
Данные 10
9
Данные 4
10
Данные 11
11
Данные 3
12
Данные 12
13
Данные 2
14
Данные 13
15
Данные 1
16
Данные 14
17
Данные 0
18
Данные 15
19
Земля
20
Key
21
DDRQ
|
22
Земля
23
I/O запись
24
Земля
25
I/O чтение
|
26
Земля
27
IOC H R D Y
28
Cable Select
29
DO АС К
30
Земля
31
IRQ
32
Не использу­
33
Адрес 1
34
G P I0 _ D M A 6 6 _
Detect
35
Адрес 0
36
Адрес 2
37
Chip Select 1 Р
38
Chip Select ЗР
39
Активен
40
Земля
ется
И нтерфейс ID E поддерживает несколько способов обмена.
Сначала основным способом обмена был режим РЮ (Prog­
rammed Input/O utput), при котором обмен данными производил­
ся через регистры процессора под его непосредственным управ­
лением. Следствием этого является высокая загрузка процессора
при операциях ввода-вывода.
Вторым способом является использование режима прямого
доступа к памяти DM A (Direct Memory Access), при котором
контроллер интерфейса ID E и контроллер прямого доступа к па­
мяти системной платы пересылают данные между диском и опе­
ративной памятью, не загружая центральный процессор.
Существует несколько разновидностей интерфейса ID E, со­
вместимых снизу вверх друг с другом.
Спецификация Enhanced IDE. В целях развития возможностей
интерфейса ID E компанией Western Digital была предложена его
128
Глава 2. Основные архитектурные принципы ЭВМ. Интерфейсы
расш иренная спецификация Enhanced ID E (синонимы: E -ID E,
Fast АТА, АТА-2 и Fast АТА-2), которая обрела затем статус аме­
риканского стандарта ANSI под названием АТА-2 (рис. 2.14,
табл. 2.6). Она содержит ряд нововведений: поддержку ID E -н а­
копителей емкостью свыше 504 Мбайт, поддержку в системе не­
скольких контроллеров ID E и подключение к одному контрол­
леру до четырех устройств, а также поддержку периферийных
устройств, отличных от жестких дисков (приводов C D -R O M ,
C D -R и DV D-RO M и т. п.). Расш ирение спецификации ID E для
поддержки иных типов накопителей с интерфейсом IDE называ­
ют также ATAPI (АТА Packed Interface). В Enhanced IDE также
введены элементы распараллеливания операций обмена и кон ­
троля за целостностью данных при передаче.
Передача данных
передним фронтом
импульса
Импульс
Передача данных как
передним, так и задним
фронтами импульса
Передача данных как
передним, так и задним
фронтами импульса
г и П_П_1 "«пульсП_ГТ_П_| импульсП_П_П_1
-► Ik
->1 к
60 нс
а
30 нс
б
в
Рис. 2.14. Схемы временных диаграмм интерфейсов:
а - АТА 2 и АТА 3; б - Ultra АТА; в - Ultra АТА/66
В спецификацию интерф ейса Enhanced ID E добавлена под­
держка режимов РЮ M ode 3 и 4, а также режимы DM A Single
Word M ode 2 и Multi Word DM A Mode 1 и 2. М аксимальная ско­
рость передачи данных по ш ине в режиме РЮ Mode 3 составля­
ет 11,1 М байт/с, а в режимах РЮ Mode 4 и Single Word DM A
Mode 2 — 16,7 М байт/с. Режим Multi Word DM A Mode 2 позво­
ляет получить пиковую скорость обмена свыше 20 М байт/с.
Следующим шагом в развитии интерфейса ID E /АТА явился
стандарт Ultra АТА (он же Ultra DMA, АТА-33, DM A-33, АТА-3).
Ultra АТА является стандартом де-факто использования быстрого
режима DM A — mode 3, обеспечивающего скорость передачи
данных 33,3 М байт/с. Для обеспечения надежной передачи д ан­
ных по все тому же кабелю используются специальные схемы
контроля и коррекции ош ибок, при этом сохраняется обратная
совместимость с предыдущими стандартами — АТА и АТА-2.
Н аконец, интерфейсы U ltra АТА/66, Ultra А Т А /100, Ultra
А Т А /133, позволяющие осуществлять передачу данных со скоро­
стями 66, 100 и 133—150 М байт/с соответственно.
f
Таблица 2.6. Характеристики I D E /А Т А интерфейсов
Спецификация
Синонимы
АТА-1
АТА-2
АТА-3
АТА, IDE
EIDE, Fast АТА,
EIDE
Fast IDE,
Ultra АТА
ATA/ATAPI-4
ATA/ATAPI-5
ATA/ATAPI-6
ATA/ATAPI-7
АТА-4,
АТА-5,
UltraATA/66
АТА-6,
АТА-7,
Ultra АТА/3356
UltraATA/100
UltraATA/133
3,3— 8,3
11,1— 16,6
16
16,7— 33,3
44,4— 66,7
100
133— 150
Количество
соединений
2
2
2
2 на 1 кабель
2 на 1 кабель
2 на 1 кабель
1 на 1 кабель
40 контактов
40 контактов
40 контактов
40 контактов
40 контактов,
80-жильный
40 контактов,
80-жильный
7 контактов
28-битовая
адресация
S.M.A.R.T.
Интерфейс
ATAPI, поддерж­
80-жильный
48-битовая LBA
SAT A1.0,
поддержка
длинных логиче­
Характеристики
кабеля
Новые свойства
логических
блоков (LBA)
Максимальный
размер диска
кабель
ка CD ROM,
стримеров и пр.
ских/физических
блоков
137 Гбайт
144 Пбайт
(128 GiBi)
(128 PiBi)
Нет
Нет
Нет
Есть
Есть
Есть
Пата выпуска
1981
1994
1996
1997
1999
2000
Стандарт A N SI
Х3.221— 1994
Х3.279— 1996
Контроль по CRC
Х3.298— 1997 N CITS 317— 1998
NCITS 340— 2000 N C ITS 361— 2002
2003
N C ITS 397— 2005
2.3. Интерфейсы периферийных устройств
Пропускная
способность
(Мбайт/с)
130
Глава 2. Основные архитектурные принципы ЭВМ. Интерфейсы
Последовательный интерфейс Serial АТА (SATA). Основные
преимущества Serial АТА сравнительно с Parallel АТА (РАТА)
включают:
• уменьшено количество контактов разъема (до 7 вместо 40)
и снижено напряжение сигнала (до 500 мВ, сравнительно с
5 В для РАТА);
• меньший, более удобный для проводки кабель, длиной до 1 ц;
• улучшены возможности обнаружения и коррекции ошибок.
Первое поколение (известное как SATA/150 или SATA.1)
появилось на рынке в середине 2002 г. и поддерживало скорость
передачи данных до 1,5 Гбит/с. SATA.1 использует схему коди­
рования 8В/10В на ф изическом уровне, которая имеет эф ф ек­
тивность, равную 80 %, что приводит к реальной скорости в
1,2 Гбит/с или 150 М байт/с.
Следующая версия (SATA 3,0 Гбит/с) также использует схему
8В/10В, поэтому максимальная скорость передачи составляет
2,4 Гбит/с или 300 М байт/с. Однако сегодняш ние устройства
Н Ж М Д не поддерживают таких скоростей, поэтому реальное
быстродействие системы ограничено возможностями дисковода.
С пецификацию 3,0 Гбит/с часто называют «Serial АТА II»
(«SATA И»), а также SATA 3.0 или SATA/300, продолжая линию
АТА/100, АТА/133 и SATA/150.
Интерфейс SCSI
Интерфейс SCSI был разработан в конце 1970-х гг. орга“ низацией Shugart Associates. Первоначально известный
под названием SASI (Shugart Associates System Interface),
после стандартизации в 1986 г. году он уже под именем SCSI (чи­
тается «скази») стал одним из промышленных стандартов для под­
ключения периферийных устройств — винчестеров, стримеров,
сменных жестких и магнитооптических дисков, сканеров,
C D -R O M и C D -R , D V D -RO M и т. п. К ш ине SCSI можно под­
ключить до восьми устройств, включая основной контроллер SCSI
(или хост-адаптер) (рис. 2.15). Контроллер SCSI является по сути
самостоятельным процессором и имеет свою собственную BIOS
(которая иногда может размещаться в BIOS системной платы). Он
выполняет все операции по обслуживанию и управлению шиной
SCSI, освобождая от этого центральный процессор. К шине Wide
SCSI подключаются до 15 устройств. Преимущество SCSI прояв­
2.3. Интерфейсы периферийных устройств
131
ляется тогда, когда несколько устройств работают одновременно с
одной ш иной, освобождая ее, когда она не требуется.
Параллельный интерфейс SCSI. Интерфейс SCSI, как прави­
ло, является параллельным (рис. 2.15) и физически представляет
собой плоский кабель с 25, 50, 68-контактными разъемами для
подключения периферийных устройств. Ш ина SCSI содержит
восемь линий данных, сопровождаемых линией контроля четно-
а
132
Глава 2. Основные архитектурные принципы ЭВМ. Интерфейсы
сти, и девять управляющих линий. Стандарт SCSI определяет
два способа передачи сигналов: однополярный, или асимметрич­
ный (Single ended), и дифф еренциальны й (Differential). В первом
случае имеется один провод с нулевым потенциалом («земля»),
относительно которого передаются сигналы по линиям данных с
уровнями сигналов, соответствующими TTJI-логике. При д и ф ­
ференциальной передаче сигнала для каждой линии данных вы ­
делено два провода, и сигнал на этой линии получается вычита­
нием потенциалов на их выходах. При этом достигается лучшая
помехозащищенность, что позволяет увеличить длину кабеля.
Для интерфейса SCSI необходимо наличие «терминаторов»
согласующих сопротивлений, которые поглощают сигналы на
концах кабеля и препятствуют образованию эха. Для SCSI вооб­
ще характерна высокая чувствительность к качеству изготовле­
ния кабелей и к их длине, которая может быть различной в зави­
симости от версии интерфейса.
Устройства SCSI также соединяются в виде цепочки (daisy
chain), причем каждое устройство SCSI имеет свой адрес (SCSI
ID) в диапазоне от 0 до 7 (или от 0 до 15). В качестве адреса пла­
ты контроллер а обычно используется наибольшее значение
SCSI ID — 7(15), адрес загрузочного диска (SCSI ID) равен «О»,
второго диска — «1». Обмен между устройствами на магистрали
SCSI определяется нормированным списком команд (Common
Com m and Set, CCS). Программное обеспечение для интерфейса
SCSI не оперирует ф изическими характеристиками накопителя
(то есть числом цилиндров, головок и т. д.), а имеет дело только
с логическими блоками данных, поэтому в одной SCSI-цепочке
могут быть размещены, например, сканер, жесткий диск и нако­
питель C D ROM.
Опрос устройств производит контроллер SCSI сразу после
включения питания. При этом для устройств SCSI реализовано ав­
токонфигурирование устройств (Plug-n-play) по протоколу SCAM
(SCSI Configured AutoMagically), в котором значения SCSI ID вы­
деляются автоматически. Для стандартизированного управления
SCSI-устройствами наиболее широко применяется программный
интерфейс ASPI (Advanced SCSI Programming Interface).
Характеристики SCSI. Существует более десятка различных
версий интерфейса SCSI (табл. 2.7). Основными характеристика­
ми шины SCSI являются:
• ш ирина — 8 («narrow», узкий формат) или 16 бит («wide»,
широкий формат);
2.3. Интерфейсы периферийных устройств
133
• тактовая частота шины;
• тип электросигналов:
— однополярный — Single-ended (SE);
— высоковольтный дифференциальны й — High-voltage dif­
ferential (HVD) - 5 В;
=- низковольтный — Low-voltage differential (LVD) — 3 В.
Таблица 2 .7. Версии (поколения) интерфейса SCSI
SE
LVD
HVD
Максималь­
ное количе­
ство подклю­
чений
8 (узкий)
6
—
25
8
10
8
3
—
25
8
20
16
(широкий)
3
—
25
16
Ultra S C S I
20
8
1.5
—
25
8
Ultra S C S I
20
8
3
—
—
4
1
Макс.
скорость
(Мбайт/с)
Ширина
шины (раз­
рядность)
SCSI-1
5
Fast S C S I
Fast Wide S C S I
Тип шины
Максимальная длина связи (в зависимости
от типа сигналов), м
Wide Ultra S C S I
40
16
—
—
25
16
Wide Ultra S C S I
40
16
1.5
—
—
8
Wide Ultra S C S I
40
16
3
—
—
4
Ultra2 S C S I
40
8
Не опреде­
лено для
скорости
12
25
8
Wide Ultra2 S C S I
80
16
12
25
16
U!tra3 S C S I or
Uitral 60 S C S I
160
16
12
Не опреде­
лено для
скорости
16
выше Ultra
-
выше Ultra2
Uitra320 S C S I
320
16
12
SSA
40
1
25
96 (192)
SSA40
80
1
25
96 (192)
—
16
FC— A L I G b
100
1
500— 3000
127
FC— A L 2Gb
200
1
500— 3000
127
FC— A L 4Gb
400
1
500— 3000
127
S A S 3 Gbit/s
300
1
6
16 256
Fibre Channel
2000
Не опреде­
10 000— 100 000
Не опреде­
лено
лено
134
Глава 2. Основные архитектурные принципы ЭВМ. Интерфейсы
На скорость влияют в основном два первых параметра. Обыч­
но они записываются в виде приставок к слову SCSI (табл. 2.7).
М аксимальную скорость передачи устройство-контроллер
можно подсчитать, взяв частоту ш ины, а в случае наличия
«Wide» умножить ее на 2 (например — FastSCSI — 10 М байт/с,
Ultra2WideSCSI - 80 М байт/с).
•
Последовательные интерфейсы SCSI. Четыре недавние вер­
сии SCSI, а именно — SSA (Serial Storage Architecture), FC-AL и
Serial Attached SCSI (SAS) отошли от традиционного параллель­
ного стандарта SCSI и ориентированы на передачу данных по
последовательным коммуникациям (см. табл. 2.7). Основные
преимущества последовательного интерфейса — большие скоро­
сти передачи данных; «горячее» включение-выключение; лучшая
помехозащищенность.
Терминаторы, разъемы. По типу сигналов различают л и н ей ­
ные (Single Ended) и дифференциальны е (Differential) версии
SCSI, их кабели и разъемы идентичны, но электрической со­
вместимости устройств между ними нет (табл. 2.8).
Дифференциальная версия для каждого сигнала использует
витую пару проводников и специальные приемопередатчики,
при этом становится допустимой большая суммарная длина ка­
беля, при сохранении высокой частоты обмена. Д иф ф еренци­
альный интерфейс применяется в мощных дисковых системах
серверов, но в обычных П К не распространен.
Таблица 2.8. Некоторые разъемы интерфейса SCSI
Внутренние
Low-Density 50-pin — подключение внутренних
narrow устройств — HDD, CD-ROM , CD-R, МО, ZIP
(сходен с рязьемом IDE, гопько на 50 контактов)
Внешние
Low-Density 50-pin или Centronics 50-pin, внешнее
подключение сканеров, стриммеров, обычно SCSI-1
Терминатор S C S I (разъем Centronics)
2.3. Интерфейсы периферийных устройств
135
В линейной версии сигнал должен идти по своему одному
проводнику, скрученному (или, по крайней мере, отдельному от
другого в плоском шлейфе) с нулевым (обратным) проводом.
SC SI-устройства соединяю тся кабелями в цепочку, на край­
них устройствах подключаются терминаторы. Часто одним из
крайних устройств является хост-адаптер. Он может иметь для
каждого канала как внутренний разъем, так и внешний.
При одновременном использовании внешнего и внутреннего
разъемов хост-адаптера его терминаторы отключают. К оррект­
ность использования терминаторов имеет существенное значе­
ние — отсутствие одного из терминаторов или, наоборот, л и ш ­
ний терминатор может привести к неустойчивости или потере
работоспособности интерфейса.
По исполнению терминаторы могут быть как внутренние
(размещ енные на печатной плате устройства), так и внеш ние
(устанавливаемые на разъемы кабеля или устройства).
По электрическим свойствам различают следующие типы
терминаторов:
• пассивные (SCSI-1) с сопротивлением 132 Ом (обычные
резисторы). Эти терминаторы не подходят для вы сокоско­
ростных режимов SCSI-2;
• активные с импедансом 110 Ом — специальные терминато­
ры для обеспечения работы на частоте 10 М Гц в SCSI-2;
• FPT (Forced Perfect Terminator) — улучшенный вариант ак­
тивных терминаторов с ограничителями выбросов.
Активные терминаторы требуют питания, для этого имеются
специальные линии интерфейса TERM PW R.
Кабели. Ассортимент кабелей SCSI довольно широк (табл. 2.9).
Основные стандартизированные кабели:
• А-кабель: стандартный для 8-битового интерфейса SCSI
50-проводный внутренний шлейф (разъемы IDC-50) или
внеш ний экранированны й (разъемы Centronics-50);
• В-кабель: 16-битовый расширитель SCSI-2, распростране­
ния не получил;
• Р-кабель: 16-битовый SC SI-2/3 68-проводный с улучшен­
ными миниатюрными экранированными разъемами, уни­
версальными для внутренних и внешних кабелей 8-, 16- и
32-битовых версий SCSI (в 8-битовом варианте контакты
1—5, 31—39, 65—68 не используются); разъемы для внеш ­
него подключения выглядят как миниатюрный вариант
136
Глава 2. Основные архитектурные принципы ЭВМ. Интерфейсы
Centronics с плоскими контактами, внутренние имеют
штырьковые контакты;
• Q-кабель: 68-проводное расширение до 32 бит, использует­
ся в паре с Р-кабелем;
• 8-битовый, стандартный для M acintosh кабель с разъемами
D -25P — используется на некоторых внеш них устройствах
(Iomega ZIP-Drive).
Таблица 2.9. Скорость передачи данных, длина и типы кабелей SCSI-1, SCSI-2
Скорость передачи, Мбайт/с
Тип кабеля ; I
Ширина шины, бит
8 (Narrow)
Обычный
Fast
Ultra
5
10
20
А
16 (Wide)
10
20
40
Р
32 (Wide)
20
40
80
A +P + Q
6
3
1,5
Линейный
Макс. длина кабеля, м
Возможны различные вариации кабелей-переходников.
Н азначение контактов разъемов на примере распространен­
ного А -кабеля приведено в табл. 2.10.
Таблица 2.10. Разъем А-кабеля SCSI (8 разрядов)
I
Контакт разъема
Сигнал
Контакт разъема
Сигнал
1— 11
Земля
35— 36
Земля
12
Земля/резерв
37
Резерв
13
Свободно
38
TERM PW R
14
Резерв
39
Резерв
15— 25
Земля
4 0 ,4 2
Земля
26
D B0#
41
ATN#
27
D B1#
43
B SY #
28
DB2#
44
ACK#
29
D B3#
45
R ST #
30
D B4#
46
M SG #
31
D B5#
47
SEL#
32
D B6#
48
C/D#
33
D B7#
I
49
REQ#
34
DBParity#
I
50
i/0#
j
2.4. Внешние интерфейсы
137
Шина. К ак и в ш ине PC I, в шине SCSI предполагается воз­
можность обмена информацией между любой парой устройств.
Конечно, чаще всего обмен производится между хост-адаптером
и периферийными устройствами. Копирование данных между
устройствами может производиться без выхода на системную
шину компьютера. Здесь большие возможности имеют интеллек­
туальные хост-адаптеры со встроенной кэш -памятью . В каждом
обмене по шине принимает участие его инициатор (Initiator) и
целевое устройство (Target). В табл. 2.11 приводится назначение
сигналов шины.
Таблица 2.11. Назначение сигналов шины SCSI
Сигнал
Источик: ^Initiator, T=Target
Назначение
DBx#
—
Линии данных (0— 7 разряды)
D В Parity#
—
Бит четности
TERMPW R
—
Питание терминаторов
A TN #
1
BSY#
I.T
Внимание
Шина занята
R EQ #
T
Запрос на пересылку данных
A CK#
1
Ответ на REQ#
R ST #
I.T
M SG #
T
Target передает сообщение
Сброс
SEL#
1Я
Выбор (Select) целевого устройства инициатором
или Reselect инициатора целевым устройством
C/D#
T
Управление (0) / данные (1) на шине
I/O#
T
Направление передачи относительно инициатора
или фаза Selection (1) / Reselection (0)
2.4. Внешние интерфейсы
Принтеры, модемы и другое периферийное оборудование
подключаются к компьютеру через стандартизированные интер­
фейсы, иногда называемые п о р т а м и . В зависимости от спосо­
ба передачи информации (параллельного или последовательно­
го) между сопрягаемыми устройствами различают параллельные
и последовательные интерфейсы.
138
Глава 2. Основные архитектурные принципы ЭВМ. Интерфейсы
Первоначально ш ироко распространенными являлись интер­
фейс Centronics (аналог в С Н Г И Р П Р -М , ГОСТ 27942—88),
обеспечивающий радиальное подключение ш ирокого круга уст­
ройств с параллельной передачей информации, и RS-232S (ана­
лог С Н Г С2, ГОСТ 18125—81), наиболее ш ироко применявш ий­
ся для синхронной и асинхронной связи при соединении уст­
ройств с последовательной передачей информации. Данные
традиционные интерфейсы в настоящее время вытесняются бо­
лее быстродействующими — USB и FireWire (табл. 2.12).
Таблица 2.12. Характеристики основных внешних интерфейсов
Максималь­ Максимальное Необходи­
мость элек­
ное расстоя­
количество
ние связи, м подключений тропитания
Год
выпуска
Первоначальная
скорость,
Мбит/с
1960
0,02
15
1
Да
10
—
10
1200
32
—
2
Параллельный
порт (LPT)
1981
1,1
1,8
1
Да
25/30
M ID I
1982
31,25 Кбит/с
15
4
Да
3
U SB 1.1
1995
12
5/25
127
Нет
4
FireWire
1995
400
4,5/72
63
Нет
6
U SB 2.0
2000
480
5/25
127
Нет
4
FireWire 800
2001
850
4,5/72
63
Нет
9
Последовательный
2004
320— 3200
6/500/3000
96/127/192
Да
1
eSATA
2004
2400
2
1
Да
7
IrDA
1995
0,115/4,0
15/1
Да
Беспро­
водной
Bluetooth
1994
0,7— 2,1
1— 100
Да
Беспро­
водной
Стандарт
Последовательный
порт (R S 232)
R S-485
Число
линий
SCSI
8— 127
Последовательный порт стандарта RS-232-C
Обычно персональный компьютер оборудован хотя бы од­
ним последовательным асинхронным адаптером (который рас­
положен на системной плате либо оформлен в качестве сменной
2.4. Внешние интерфейсы
139
карты), по-другому называемым п о с л е д о в а т е л ь н ы м п о р ­
том RS-232-C.
Интерфейс RS-232C предназначен для подключения к ком ­
пьютеру стандартных внешних устройств (принтера, сканера,
модема, мыши и др.), а также для связи компьютеров между со­
бой. Основными преимуществами использования RS-232C по
сравнению с Centronics (см. ниже) являются возможность пере­
дачи на значительно большие расстояния и гораздо более про­
стой соединительный кабель. В операционных системах ком пь­
ютеров IBM PC каждому порту RS-232-C присваивается логиче­
ское имя С О М 1 :— COM4 :. Данные могут передаваться как в одну,
так и в другую сторону (дуплексный режим).
Использование (или нет) битов Р, ST, SP задает ф о р м а т п е ­
р е д а ч и д а н н ы х ( к а д р а ) на уровне RS-232 (см. рис. 1.12, а).
Принимаю щ ее и передающее устройства должны применять оди­
наковые форматы. Установка формата данных может быть, н а­
пример, выполнена в MS DOS командой M ODE или в Windows
NT в закладке Порты (рис. 2.16).
Основу последовательного порта составляет микросхема
UART (Universal Asyncronous Receiver-Transmitter — универсаль­
ный асинхронный приемопередатчик — Intel 16450/16550/
16550А). UART содержит регистры (буферные, сдвиговые и др.)
Рис. 2.16. Настройка COM2: в Windows NT:
п — меню Панельуправления\Порты) ; б — разъемы подключения последова­
тельного порта ( / — DB25F; 2 — DE9M)
140
Глава 2. Основные архитектурные принципы ЭВМ. Интерфейсы
приемника и передатчика данных. При передаче байта инф орма­
ции он вначале записывается в буферный регистр передатчика,
затем в сдвиговый регистр, откуда выдвигается по битам для по­
следовательной передачи по линии связи. Обратный процесс
происходит при приеме данных.
Разъем для подключения последовательного порта может со­
держать 25 или 9 выводов (соответственные обозначения — D25
и D9) — табл. 2.13. Только два провода этих разъемов использу­
ются для передачи и приема данных. Остальные отведены для
вспомогательных и управляющих сигналов, причем для соедине­
ния различных типов устройств может потребоваться различное
количество выводов разъемов.
Таблица 2.13. Структура разъемов интерфейса RS-232-C
Номер кон­
такта D-25
Номер кон­
такта D-9
Содержание информации
Вход
или выход
1
—
2
3
TD (Transmitted data — Передаваемые данные)
3
2
RD (Received data — Принимаемые данные)
4
7
R T S (Request to send — Запрос для передачи)
5
8
CTS (Clear to send — Сброс для передачи)
Вход
6
6
D S R (Data set ready — Готовность данных)
Вход
7
5
SG (Signal ground — Сигнальное заземление)
8
1
DCD (Data carrier detect — Обнаружение передачи данных)
20
4
DTR (Data terminal ready — Данные готовы к передаче)
22
9
Rl (Ring indicator — Индикатор вызова)
FG (Frame ground — Защитное (силовое) заземление)
—
Выход
Вход
Выход
—
Вход
Выход
Вход
Протокол связи RS-485
Данны й протокол является широко используемым промыш ­
ленным стандартом, использующим двунаправленную сбаланси­
рованную линию передачи. Протокол поддерживает многоточеч­
ные соединения, обеспечивая создание сетей с количеством уз­
2.4. Внешние интерфейсы
141
лов до 32 и передачу на расстояние до 1200 м. Использование
повторителей RS-485 позволяет увеличить расстояние передачи
еще на 1200 м или добавить еще 32 узла. Стандарт RS-485 под­
держивает полудуплексную связь. Для передачи и приема д ан ­
ных достаточно одной скрученной пары проводников.
Параллельный порт
Параллельный порт (Centronics) используется для одновре­
менной передачи 8 битов информации. В компьютерах этот порт
используется главным образом для подключения принтера, хотя
это не исключает возможность подсоединения к нему других уст­
ройств, например графопостроителей или даже других ПЭВМ .
Конструктивно обычно оформлен в виде 25-контактного
разъема типа D (DB25). Имеется восемь линий данных, для каж ­
дой — своя линия заземления.
Кроме того, имеются управляющие сигналы:
• сигнал строба Strobe на контакте 1 сообщает принтеру,
что текущая передача данных окончена и принтер может
печатать символ;
• линия подтверждения готовности аск на контакте 10. До
тех пор, пока на этой линии высокий потенциал, компью ­
тер не посылает данных;
• линия занятости Busy сигнализирует компьютеру о том,
что принтер занят;
• линия выбора Select показывает, что принтер выбран
(т. е. режим online);
• линия автоматического перевода строки Fdxt;
• линия ошибки Err or — принтер сообщает об ошибке (на­
пример, кончилась бумага);
• линия ink — компьютер переводит принтер в то состоя­
ние, в котором он находился после включения питания
(т. е. начальное состояние);
• линия sictin — по этой линии компьютеру сообщается,
готов ли принтер принимать данные (при низком уровне
сигнала — готов, при высоком — нет).
Хотя чаще всего параллельный порт применялся для переда­
чи данных из компьютера в принтер, его можно использовать и
для приема данных от внешнего устройства. Сейчас имеются
142
Глава 2. Основные архитектурные принципы ЭВМ. Интерфейсы
программно-аппаратные средства, которые позволяют осущест­
вить ввод.
Параллельное соединение применяется на расстояниях
не более 5 м, некоторые источники ограничивают расстояние
1—2 м; при увеличении длины параллельных проводов возрастает
межпроводная емкость, что приводит к перекрестным помехам,
кроме того, растут материальные затраты на реализацию линии.
В принципе, параллельные порты должны быть двунаправ­
ленными и соответствовать требованиям стандарта ЕРР, по*
скольку ЕРР позволяет передавать данные в 10 раз быстрее, чем
стандартные параллельные порты (2 М бит/с против 200 Кбит/с).
Более новые параллельные порты выполнены в стандарте
IEEE 1284, первая редакция которого вышла в 1994 г. Этот стан­
дарт определяет пять следующих режимов работы:
• режим совместимости;
• режим тетрады;
• режим байта;
• режим ЕРР (Расш иренны й параллельный порт);
• режим ЕСР (Режим с расш иренными возможностями).
Цель состояла в том, чтобы проектировать новые драйверы и
устройства, которые были бы совместимы друг с другом, а также
обратно совместимы со стандартным параллельным портом
(SPP). Режимы совместимости, тетрады и байта требуют только
стандартных аппаратных средств, доступных на старых платах
контроллеров параллельного порта, в то время как режимы ЕРР
и ЕСР требуют дополнительных аппаратных средств, которые
могут работать на больших скоростях и в то же время быть об­
ратно совместимыми со стандартным параллельным портом.
В режиме совместимости, или «Centronics», можно посылать
данные только в прямом направлении с типичной скоростью
50 К байт/с, иногда более 150 К байт/с. Для приема данных необ­
ходимо использовать режим тетрады или байта. В режиме тетра­
ды можно вводить тетраду (4 бита) в обратном направлении (на­
пример, из устройства в компьютер). В режиме байта использу­
ется свойство двунаправленное™ (реализованное только в
некоторых платах) для ввода байта (8 битов) данных в обратном
направлении.
Расш иренные режимы параллельного порта используют до­
полнительные аппаратные средства для генерации и управления
подтверждением связи. Для вывода байта на принтер (или
2.4. Внешние интерфейсы
143
что-нибудь аналогичное) в режиме совместимости программное
обеспечение должно:
1) записать байт в порт данных;
2) проверить, не занят ли принтер. Если принтер занят, он
не будет принимать никаких данных, таким образом, любые за­
писанные данные будут потеряны;
3) установить на strobe (вывод 1) низкий уровень. Это со­
общает принтеру, что на линиях данных имеются правильные
данные (выводы 2—9);
4) вернуть на Strobe высокий уровень приблизительно через
5 микросекунд после установки низкого уровня (шаг 3).
Все это ограничивает скорость работы порта. Порты Е Р Р и
ЕСР обходят это, вы полняя аппаратно проверку занятости п ри н ­
тера, генерацию строба и/или подтверждение связи. Это означа­
ет, что нужна только одна инструкция ввода-вывода. Такие пор­
ты могут выводить около 1—2 М байт/с. Е С Р—порт также имеет
преимущество использования каналов DM A и буфера FIFO . Т а­
ким образом, данные могут передаваться без использования и н ­
струкций ввода-вывода.
Аппаратные свойства. Ниже приведено (табл. 2.14) размещ е­
ние выводов D -образного 25-контактного разъема и 34-контакт­
ного разъема Centronics. Первый обычно используется для па­
раллельного порта компьютера, в то время как разъем Centronics
обычно применяется на принтерах. Стандарт IEEE 1284, однако,
определяет три различных соединителя для использования с па­
раллельным портом. Первый, 1284 Тип А — D -образный 25-кон­
тактный соединитель, установленный сзади у большинства ком ­
пьютеров. Второй — 1284 Тип В, который является 36-выводным
разъемом Centronics, установленным на большинстве принтеров.
IEEE 1284 Тип С является 36-контактным соединителем, по­
добным Centronics, но меньшего размера. Этот соединитель им е­
ет лучший замок, лучшие электрические свойства и легче соби­
рается. Он также содержит еще два вывода для сигналов, кото­
рые могут использоваться, чтобы видеть, включено ли другое
устройство.
В табл. 2.14 используется « п » перед именем сигнала, когда
активным является низкий уровень сигнала. Например, nError.
Если на принтере произош ла ошибка, тогда на этой линии н и з­
кий уровень. В нормальном состоянии, когда принтер работает
правильно, на этой линии высокий уровень. «Аппаратная инвер­
сия» означает, что сигнал инвертирован аппаратно в контролле-
144
Глава 2. Основные архитектурные принципы ЭВМ. Интерфейсы
Таблица 2.14. Назначение выводов соединителей параллельного порта
№ вывода
(D-образный
25-контактный)
№ вывода
(Centronics)
Сигнал SPP
Направление
вход/выход
Регистр
Аппаратная
инверсия
1
1
nStrobe
Вход/выход
Управления
Да
2
2
Данные 0
Выход
Данные
3
3
Данные 1
Выход
Данные
4
4
Данные 2
Выход
Данные
5
5
Данные 3
Выход
Данные
6
6
Данные 4
Выход
Данные
7
7
Данные 5
Выход
Данные
8
8
Данные 6
Выход
Данные
9
9
Данные 7
Выход
Данные
10
10
nAck
Вход
Состояние
11
11
Busy
Вход
Состояние
12
12
PaperOut/PaperEnd
Вход
Состояние
13
13
Select
Вход
Состояние
14
14
nAutoLinefeed
Вход/выход
Управление
15
32
nError / nFault
Вход
Состояние
16
31
nlnitialize
Вход/выход
Управление
17
36
nSelectPrinter / nSelectln
Вход/выход
Управление
18— 25
9— 30
Земля
Gnd
Да
Да
Да
ре параллельного порта. П ример — линия Busy. Если на этот
вывод подать +5 В (логическая единица) и прочитать регистр со­
стояния, в бите 7 последнего был бы 0.
Centronics. Centronics — это ранний стандарт для передачи
данных от ведущего устройства к принтеру. Большинство прин­
теров использует этот протокол передачи. Подтверждение пере­
дачи обычно осуществляется путем программного управления
стандартным параллельным портом.
Данные сначала подаются на выводы параллельного порта с
номерами от 2 до 7. Затем ведущее устройство проверяет, занят
2.4. Внешние интерфейсы
145
ли принтер. На линии Busy должен быть низкий уровень. Тогда
программа активизирует строб, ждет не менее 1 мс, и затем сни­
мает строб. Данны е обычно считываются принтером или пери­
ферией по нарастающему фронту строба. П ринтер сообщает, что
он занят обработкой данных через линию Busy. Как только
принтер принял данны е, он подтвердит байт отрицательным им ­
пульсом около 5 мс на линии nAck.
USB
USB (Universal serial bus) — стандарт, разработан­
ный совместно фирмами Compaq, DEC, Microsoft,
IBM , Intel, N EC и N orthern Telecom (версия первого утвержденного варианта появилась довольно давно —15 ян ва­
ря 1996 г.) и предназначенный для организации соединения
многочисленных и разнотипных внешних устройств с помощью
единого интерфейса.
Основная цель стандарта, поставленная перед его разработ­
чиками — создать реальную возможность пользователям рабо­
тать в режиме Plug-n-Play с периферийными устройствами. Это
означает, что должно быть предусмотрено подключение устрой­
ства к работающему компьютеру, автоматическое распознавание
его немедленно после подключения и последующей установки
соответствующих драйверов.
Стандарт USB предполагает взаимодействие по архитектуре
«клиент—сервер» (используется терминология «Master—Slave»,
или «Главный—Служебный») и позволяет подключать до 127 уст­
ройств последовательно или используя концентратор USB (hub),
к которому подсоединяется до семи устройств (рис. 2.17). Разъ­
емы содержат четыре контакта, включая провода питания (5 В)
для устройств с малым потреблением, таких как клавиатуры,
мыши, джойстики и т. п.
Топология USB практически не отличается от топологии
обычной локальной сети на витой паре, обычно называемой
«звездой». Даже терминология похожа — концентратор ш ины
также называется хаб (hub). Ш ина USB позволяет многоуровне­
вое каскадирование («многоуровневая звезда»).
Вместо любого из устройств может также стоять хаб. О снов­
ное отличие от топологии обычной локальной сети — компьютер
(или host-устройство) может быть только один. Хаб может быть
10 -
1814
146
Глава 2. Основные архитектурные принципы ЭВМ. Интерфейсы
а
б
Рис. 2.17. Концентраторы USB (хабы):
о — обший вид устройства; б — вид со снятой крышкой
как отдельным устройством с собственным блоком питания, так
и встроенным в периферийное устройство. Наиболее часто хабы
встраиваются в мониторы и клавиатуры.
Пропускной способности в 480 М бит/с в версии 2.0 доста­
точно для удовлетворения потребностей всех этих применений
в полной мере. Добавление устройств больше не сопряжено с
установкой дополнительных адаптеров, выполнением сложного
конфигурирования, ручным инсталлированием дополнительно­
го программного обеспечения: система автоматически опреде­
ляет, какой ресурс, включая программный драйвер и пропуск­
ную способность, нужен каждому периферийному устройству и
делает этот ресурс доступным без вмешательства пользователя.
В связи с прогнозируемым ростом в области интеграции
компьютеров и телефонии, ш ина USB сможет выступать в каче­
стве интерфейса для подключения устройств цифровой связи
(ISD N ) и цифровых устройств Private Branch eXchange (РВХ).
Технические характеристики. Возможности USB (версия 1.1)
следуют из ее технических характеристик:
• режим высокой скорости обмена (full-speed signaling bit
rate) —12 М бит/с;
• максимальная длина кабеля для высокой скорости обме­
на — 5 м;
• режим низкой скорости обмена (low-speed signaling bit
rate) — 1,5 М бит/с;
• максимальная длина кабеля для низкой скорости обмена —
3 м;
2.4. Внешние интерфейсы
147
• максимальное количество подключенных устройств (вклю ­
чая концентраторы) — 127;
• возможно подключение устройств с различными скоростя­
ми обмена;
• отсутствие н еоб ходи м ости в устан овке пользователем
дополнительны х элем ентов, таких как терм инаторы для
SCSI;
• максимальное потребление тока на одно устройство —
500 мА.
USB используют или будут использовать для следующих уст­
ройств:
• в режиме низкой скорости — клавиатура, мышь, джойстик,
матричный принтер, дигитайзер, цифровая фотокамера,
модемы для обычных телефонных линий, цепи управления
монитором компьютера;
• в режиме высокой скорости — звуковые колонки, IS D N модем, внешние накопители класса Iomega Zip, офисные
АТС, лазерные и струйные принтеры.
На рис. 2.18 показан пример рационального соединения п е­
риферийны х устройств в условную USB-сеть. Так как обмен
данными по USB идет только между компьютером и периф ерий­
ным устройством (между устройствами обмена нет), то устройст­
ва с большими объемами приема и /или передачи данных долж ­
ны подключаться либо к самому компьютеру, либо к ближайш е­
му свободному узлу. В данном случае наивысший траф ик у
колонок (около 1,3 М бит/с), затем модем и сканер, подключен-
Другая периферия
Рис. 2.18. Пример соединения периферийных устройств в USB-сеть
ю*
148
Глава 2. Основные архитектурные принципы ЭВМ. Интерфейсы
ные к хабу в мониторе, и завершают цепь клавиатура, джойстик
и мышь, траф ик у которых минимален.
К олонки имеют такой вы сокий трафик, поскольку колонки с
интерфейсом USB существенно отличаются от обычных, так как
для их использования не требуется звуковая карта. Драйвер ко­
лонок отправляет оциф рованный звук сразу в колонки, где с по­
мощью АЦ П он преобразуется в аналоговый сигнал и подается
на громкоговоритель.
Кабели и разъемы. Сигналы USB передаются по 4-проводному кабелю (рис. 2.19, табл. 2.15). Здесь «земля» — цепь «корпуса»
для питания периферийных устройств, VBus — +5 В также для
цепей питания. Ш ина «D+» предназначена для передачи данных
по ш ине, а ш ина «D-» — для приема данных. Кабель для под­
держки полной скорости ш ины (full-speed) выполняется как ви­
тая пара, защ ищ ается экраном и может также использоваться
для работы в режиме минимальной скорости (low-speed). Кабель
для работы только на м инимальной скорости (например, для
подключения мыши) может быть любым и неэкранированным.
Рис. 2.19. Структура кабеля USB
Таблица 2.15. Нумерация контактов разъемов USB
Мини
Обычный разъем
Номер контакта
Назначение
Цвет провода
Функция
1
V BUS (4.4— 5.25 V)
Красный
V B U S (4.4— 5.25 V)
2
D-
Белый
D-
3
D+
Зеленый
D+
4
Земля
Черный
ID
Земля
5
Оплетка
Экран
Оплетка
2.4. Внешние интерфейсы
149
Конструкция разъемов для USB рассчитана на многократное
сочленение/расчленение. Различают стандартные (рис. 2.20,
а—г) и мини-разъемы (рис. 2.20, д, е), используемые для под­
ключения периферийных устройств.
&
1
x z :
2
U
U
3
4
LJ
U
а
/
-N
.
_______ о _
-р
Г"1
Г~1
4
3
Г~1
2
Г~1 .
1
V
б
5 432 1
5 432 1
y m n n ry
Mini-А
Mini-В
д
е
Рис. Z.Z0. Интерфейс USB:
а — розетка типа «А»; б — вилка типа «А»; в — розетка типа «В»; г — вилка
типа «В»; д — мини-разъемы (схема); е — общ ий вил
Как видно из рисунка, невозможно подключить устройство
неправильно, так как разъем серии «А» можно подключить
только к активному устройству на USB — концентратору или
компьютеру, а серии «В» только к собственно периферийному
устройству.
150
Глава 2. Основные архитектурные принципы ЭВМ. Интерфейсы
Больш инство контактов м ини-USB аналогичны стандартно­
му U SB-разъему, за исключением № 4. Контакт 4 называется
«Ш» и в разъеме M ini-A соединен с землей, однако в Mini-B —
свободен. Это приводит к тому, что устройства, поддерживаю­
щие USB O n-T he-G o (с разъемом Mini-AB) вы полняю т функции
хоста, будучи подсоединенными к разъему USB M ini-A (конец
«А» кабеля M ini-A —M ini-B). Разъем M ini-A содержит также до­
полнительный ключ (кусочек пластика внутри), чтобы предот-i
вратить вклю чение в устройство типа «В».
«USB на-ходу» (On-The-Go — OTG). Быстрое воз­
растание числа мобильных цифровых устройств
выявило потребность в промыш ленном стандар­
те на связь таких устройств и внеш них устройств
(например, принтеров). М ножество методов обеспечения связи,
используемых изготовителями мобильных систем, свидетельст­
вуют об этой потребности (это доки, слоты, соединители и раз­
личные технологии карточек с памятью).
К началу 2001 г. рыночное проникновение USB составило
более 1,1 млрд устройств с этим интерфейсом (П К , внешние
устройства, устройства бытовой электроники). Это делает USB
естественным кандидатом на обеспечение мобильной связи «точ­
к а -т о ч к а » . Однако его несимметричный протокол «клиент—сер­
вер» (точнее — «Главный—Подчиненный», M aster—Slave pro­
tocol), который полагается на «интеллект» хоста, является глав­
ным неудобством USB. Помещ ение полнофункционального USB
хоста на портативное устройство просто невыполнимо. Кроме
того, что стандарт хоста USB нанесет ущерб аккумулятору мало­
мощ ного устройства, разъемы USB являются слиш ком крупными
для этих миниатю рных устройств.
Чтобы решить проблему, ряд изготовителей мобильных теле­
фонов, К П К и мобильных П К (USB Prom oter Group) объедини­
лись, чтобы разработать новое добавление к спецификации USB
2.0, которая была названа «USB на ходу» (O n-T he-G o — OTG).
Выпущенный в декабре 2001 г., стандарт определяет новые не­
большие разъемы, протокол установления связи, требования к
электропитанию , используемому на хосте и в периферии. Спе­
циф икация также определяет новый тип устройства, названного
«внешнее устройство двойного назначения», способное к дейст­
вию как хост или периферия в зависимости от того, как пользо­
ватель подклю чает кабель с его «мини-АВ» разъемом. Будучи
2.4. Внешние интерфейсы
151
включенным в разъем «мини-А», устройство двойной роли ведет
себя как хост, а включение в «мини-В» превращ ает его во внеш ­
нее устройство. Внешнее устройство OTG может также исполь­
зовать напряжение питания хоста в течение подклю чения, чтобы
сохранить емкость батареи.
Интерфейс FireWire
^
Ш ина FireWire предлагается для устройств, требующих
О
более высокой скорости обмена, чем может обеспечить
■».
шина USB, и впервые была предусмотрена в специф иFireWire Кации РС97.
И з главных особенностей IEEE 1394 можно отметить:
• последовательная ш ина вместо параллельного интерф ейса,
позволяющая использовать кабели малого диаметра и разъ­
емы малого размера (рис. 2.21);
• поддержка «горячего подключения» и отклю чения;
• питание внешних устройств через IEEE 1394 кабель;
• высокая скорость;
• возможность строить сети различной конфигурации из раз­
нотипных устройств (рис. 2.22);
• простота конфигурации и широта возможностей;
• поддержка асинхронной и синхронной передачи данных.
Интерфейс во многом подобен USB 1.0, но является более
быстродействующим. В различных специф икациях устанавлива­
ется быстродействие от 12,5 М бит/с до 1,6 Гбит/с и более. Это
создает возможность для соединения интерфейсом FireW ire ЭВМ
с таким и устройствами, как аналоговые и цифровые видеокаСигнал
пара А
Оболочки
Питание
нм.
..1*И».
Сигнал
пара В
а
6
Рис. 2.21, И нтерфейс FireWire (IEE E 1394):
а — кабель; б — 6-контактны й разъем; в — 4-контактный разъем
в
152
Глава 2. Основные архитектурные принципы ЭВМ. Интерфейсы
Рис. 2.22. Соединение разнотипных устройств в сеть с использованием
IEEE 1394
меры, телевизоры, принтеры, сетевые карты и накопители ин ­
формации.
Интерфейс FireWire поддерживает синхронную и асинхрон­
ную передачу данных и предоставляет возможность подключе­
ния до 63 устройств на один порт. При этом поддерживаются
скорости передачи 100, 200 и 400 М бит/с (т. е. 12,5, 25,
50 М байт/с), прорабатываются варианты на 800 и 1600 М бит/с
(различные пары устройств могут обмениваться данными на раз­
личной скорости, например на 100 и 400 М бит/с). Для связи ис­
пользуется 6-жильный медный кабель или оптоволокно. Из этих
шести проводов два идут к источнику питания, а четыре других,
организованные как две экранированные витые пары, использу­
ются для передачи данных (рис. 2.21, а). Кабель в целом также
экранирован, имеет длину до 4,5 м и соответствует требованиям,
предъявляемым к кабелям lOBaseT Ethernet [9, 10, 12]. По про­
водам питания может подаваться напряжение от 8 до 40 В (ток
до 1,5 А), что позволяет обходиться без источников питания в
периферийных устройствах.
С пециф икации РС98 и РС99 предполагают, помимо видео,
использование FireWire для подключения жестких дисков, сете­
вых карт, магнитооптических накопителей и другого высокоско­
ростного оборудования.
2.4. Внешние интерфейсы
153
Топология шины 1394. На рис. 2.22 изображены два рабочих
места (каждое из которых является сегментом шины 1394), со­
единенных мостом 1394.Рабочее место 1 включает видеокамеру,
П К , видеомагнитофон (все связаны через IEEE 1394). К ом пью ­
тер также подсоединен к физически удаленному принтеру через
повторитель (репитер), который расш иряет дистанцию связи (до
60 повторителей могут помещаться между двумя 1394-устройст­
вами). На схеме присутствует также концентратор (splitter), на­
ходящ ийся между мостом и принтером, который повышает гиб­
кость топологии сети.
Рабочее место 2 содержит только П К и принтер в сегменте
ш ины, соединенные с мостом шины. М ост шины 1394 изолиру­
ет траф ик внутри каждого рабочего места и разрешает передачу
только определенной информации между сегментами шины.
Каждое устройство FireWire может содержать до шести разъ­
емов (чаще всего три) для подключения других устройств. Длина
сегмента FireWire может достигать 4,5 м. Сеть FireWire может
включать до 63 узлов, а несколько сетей могут быть соединены
между собой мостами (до 1023). Таким образом, в системе может
быть до 64 449 устройств IEEE 1394.
Передача данных между устройствами 1394 может происхо­
дить так, как если бы имело место разделение общей памяти, ор­
ганизованной в единое пространство, между многими устройст­
вами. Адресная часть каждого пакета имеет длину 64 разряда, где
10 бит образуют идентификатор сети, 6 бит — номер устройства,
и 48 бит — адрес в памяти. Это создает возможность адресовать
1023 сети по 63 узла, каждый с памятью объемом 281 Тбайт.
Такой подход позволяет трактовать все доступные ресурсы
как регистры памяти, к которым процессор или другое устройст­
во получает доступ. Это облегчает сетевой обмен — цифровая ка­
мера, например, может прямо переслать изображение на прин­
тер, минуя ПК.
Версии FireWire
F i r e W i r e 4 0 0 может пересылать данные между устройст­
вами со скоростями 100, 200 или 400 М бит/с (реальные скорости
составляют 98,3, 196,6 и 393,2 М бит/с или же 12,3, 24,6 и
49,2 М байт/с соответственно). Эти режимы передачи часто упо­
минаю тся как S100, S200 и S400. Хотя USB 2.0 может теоретиче­
ски оперировать на скорости 480 М бит/с, проведенные тесты
показывают, что она редко достигается.
154
Глава 2. Основные архитектурные принципы ЭВМ. Интерфейсы
Длина кабеля ограничена 4,5 м (около 15 футов), хотя до
16 кабелей могут быть соединены в цепь путем подключения ак­
тивных повторителей, внеш них концентраторов (хабов) или
внутренних хабов, которые часто встраиваются в 1394-устройст­
ва. Стандарт S400 ограничивает любые конфигурации кабеля
максимальной длиной 72 м. Разъемы на 6-контактов (рис. 2.21,
в, д) обычно размещаются на настольных П К и позволяют обес­
печивать электропитанием подсоединяемые устройства. Разъемы
на 4 контакта используются в ноутбуках, карманных П К и не­
больших внеш них устройствах (видеокамера) и не предусматри­
вают подвод питания (хотя и полностью совместимы с 6-кон­
тактным интерфейсом).
F i r e W i r e 8 0 0 (фирма Apple использовала название «S800
bilingual» для 9-контактной версии стандарта IEEE 1394b) был
предложен Apple в 2003 г. Эта новая спецификация 1394-шины
обеспечивает скорость в 786,4 М бит/с при обратной совмести­
мости с более медленными устройствами и 6-контактными разъ­
емами FireW ire 400.
Полная спецификация IEEE 1394b предусматривает под­
держку коммуникаций через оптоволокно на расстояние до
100 м со скоростью до 3,2 Гбит/с. Стандартный неэкранированный витой кабель категории 5 поддерживает связь на расстоянии
до 100 м со скоростью S100, а новая технология 1394с обеспечи­
вает скорость до S800. Исходные стандарты 1394 и 1394а исполь­
зуют метод кодирования сигналов D /S (data/strobe, или legacy
mode), тогда как 1394b включает также схему кодирования 8В10В
(называемую также beta mode). С использованием этих новых
технологий интерфейс FireWire становится существенно быст­
рее, чем Hi-Speed USB.
Последовательный интерфейс SCSI
К омпоненты типичных систем на базе SSA (Serial Storage
Architecture) соединяются двунаправленными кабелями. Данные,
посылаемые адаптером проходят в обоих направлениях и при
разрыве соединения SSA осуществляет реконфигурирование
оборудования, чтобы в дальнейш ем восстановить разорванную
связь. В системе может поддерживаться до 192 НЖ М Д, допус­
кающих «горячее» вклю чение-выклю чение (см. табл. 2.7). Диски
2.4. Внешние интерфейсы
155
могут объединяться в массивы (до 32 отдельных RAID-массивов
могут поддерживаться одним адаптером), причем массив может
находиться на расстоянии до 25 м. В режиме работы с RAID
поддерживается скорость 35 М байт/с, в остальных режимах —
60 М байт/с (максимум скорости — 80 М байт/с).
Внешний последовательный интерфейс SAT А
Стандарт внешнего интерфейса (external SATA, eSATA) был
введен в середине 2004 г. с определением кабелей, разъемов и
требований к электросигналам. Интерфейс имеет следующие
особенности:
• полная скорость SATA для внешних дисков (115 М байт/с
было измерено для внешнего массива RAID);
• нет необходимости преобразования сигналов и данных из
протоколов PATA/SATA в формат USB/Firewire для под­
ключения внеш них дисков;
• длина кабеля ограничена 2 м (USB и Firewire поддержива­
ют большую длину);
• минимальное и максимальное напряжения передаваемых
сигналов были повышены до 500—600 мВ (от 400—600 мВ);
• минимальное и максимальное напряжения принимаемых
сигналов были снижены до 240—600 мВ (от 325—600 мВ);
При связи с выносным диском посредством USB (Firewire)
требуется конвертирование сигналов в формат РАТА (SATA) и
обратно, для этого необходимо использовать микросхему-мост.
Такие возможности НЖ М Д, как S.M.A.R.T. в этих условиях не
поддерживаются и реальная скорость передачи данных едва ли
достигает половины от теоретической в 50 М байт/с. Это ограни­
чение начинает заметно сказываться при работе с внеш ними
массивами RAID или с быстродействующим НЖ М Д, который
может реально обеспечивать скорость до 70 М байт/с.
В настоящее время большинство системных плат ПЭВМ не
поддерживают разъемы eSATA, и такие устройства могут под­
ключаться либо через хост-адаптер eSATA (НВА) для настоль­
ных систем либо же посредством Cardbus или ExpressCard для
ноутбуков. Известны также простейшие адаптеры (кабели),
обеспечивающие интерфейс между eSATA и SATA (в этих усло­
виях допустимая длина кабеля понижается до 1 м).
156
Глава 2. Основные архитектурные принципы ЭВМ. Интерфейсы
В отличие от USB или Firewire eSATA не обеспечивает под­
соединяемое устройство электропитанием, поэтому в этом слу­
чае необходим дополнительный кабель питания или адаптер.
Далее, в отличие от РАТА, интерфейсы SATA и eSATA под­
держивают «горячее подключение», однако современные ОС,
как правило, не могут реализовать эту функцию.
Отметим здесь, что, хотя «горячее подключение» USB обес­
печивается всеми современными ОС, и эта возможность заявле­
на во всех стандартах USB, известны случаи повреждения уст­
ройств и разрушения данных при подобных подключениях, что
особенно часто происходит с М РЗ-плейерами, использующими
ф лэш -накопители, а также с выносными USB-Н Ж М Д на 2,5".
То же самое можно сказать по поводу FireWire — при формаль­
ной поддержке горячего подключения устройства часто повреж­
даются. Ряд производителей электроники объявляю т об отказе
от поддержки «горячего подключения» контроллерами FireWire
и исключают соответствующие повреждения из гарантийных
обязательств.
Интерфейс Fibre Channel (оптоволоконная связь)
В 1991 г. IBM , Hewlett-Packard Со. и Sun Microsystems Inc.
объединенными усилиями создали Fibre Channel Systems Initiative
(FCSI) с целью активизировать производство продуктов оптово­
локонной связи и их продвижение на рынки. В 1994 г. интерфейс
Fibre Channel был принят как стандарт ANSI. Впервые создан­
ный, интерфейс FC оперировал на скорости, не превосходящей
SCSI-3, и основным его преимуществом являлось расстояние
связи (вначале 10 ООО м, а затем — 100 км, на основе оптических
трансиверов), а не скорость взаимодействия. Однако, в 2000 г.
была выпущена версия FC со скоростью 2 Гбит/с. Протоколы
Fibre Channel структурированы как иерархическая система (напо­
добие ISO OSI Reference M odel), включающая пять уровней, каж­
дый из которых отвечает за определенные ф ункции (табл. 2.16).
Технические средства Fibre Channel связывают между собой
накопители информации и серверы, образуя «фабрику» (Fibre
Channel fabric) или коммутационно-коммуникационную среду.
Ф абрика состоит из физического уровня, устройств коммутации
и передачи данных. На ф изическом уровне находятся оптиче­
ские и обычные кабели, по которым передаются сигналы прото-
2.4. Внешние интерфейсы
157
Таблица 2.16. Уровни протоколов Fibre Channel
Наименование
FC-4
Уровень
Уровень отображе­
ния протоколов
Функции
Определяет правила интерпретации различных традици­
онных протоколов вышестоящих уровней, позволяющих
Fibre Channel переносить данные из других сетевых про­
токолов (наподобие S C S I) и параллельно передавать се­
тевую и канальную информацию, соответствующую ф и­
зическому интерфейсу
FC-3
FC-2
Уровень общих
служб
Определяет параметры специальных служб, такие как
Уровень пакетов и
сигналов
Определяет последовательность и порядок правил
управления потоком данных, используемых для сбор­
ки-разборки пакетов, принимаемых/передаваемых уст­
multi-casting и striping
ройством
FC-1
FC-0
Уровень управления
передачей
Задает протокол передачи, включая правила и последо­
вательность кодирования и декодирования, специаль­
ные символы, время задержки, контроль ошибок и пр.
Физический уровень
Определяет параметры физического соединения, вклю­
чая кабели, разъемы и оптико-злектрические характери­
стики линий для различных скоростей передачи
кола Fibre Channel между устройствами. Переключатели, такие
как хабы и коммутаторы, адресуют пакеты данных Fibre Channel
на гигабитовых скоростях.
Интерфейсы беспроводной связи
Не останавливаясь на средствах организации беспроводных
сетей (WLAN, см., напр., [9, 12]), ограничимся рассмотрением
высокочастотных радио- и оптических интерфейсов ограничен­
ного радиуса действия (рис. 2.23).
IrDA. Ассоциация инфракрасной передачи данных (Infrared
Data Association — IrDA), начиная с ее образования в 1993 г., ра­
ботала над открытым стандартом инфракрасной передачи д ан ­
ных на короткие расстояния. Спецификации IrDA базируются
на двух стандартах — протоколе физического уровня 115 К бит/с
(типа UART), который был развит Hewlett Packard, и первона­
чально предложенном IBM протоколе Link Access Protocol
(IrLAP), основанном на HDLC.
158
Глава 2. Основные архитектурные принципы ЭВМ. Интерфейсы
а
б
в
Рис. 2.23. Устройства с беспроводными интерфейсами:
а — адаптер 1RDA-USB; б — адаптер Bluetooth-USB; в — мышь Bluetooth
с 8 кнопками
В настоящее время IrDA-standart — один из самых распро­
страненных методов организации передачи информации по от­
крытому инфракрасному каналу. Это — протокол передачи д ан ­
ных связи «точка—точка» в узком коническом углу (30°), предна­
значенный для работы на расстоянии до 1 м со скоростями
между 9,6 К бит/с и 16 М бит/с.
Протоколы семейства IRDA. Рассмотрим более подробно
технические спецификации интерфейса. Протоколы IrPHY ф и ­
зического уровня (Infrared Physical Layer Specification) отражают
следующие характеристики:
• расстояния взаимодействия — два устройства стандартной
мощности — 1 м, два устройства низкой мощности —
0,2 м, стандартное устройство с низкомощ ным — 0,3 м;
• конический угол связи — ±15°;
• скорость передачи — от 2, 4 Кбит/с до 16 М бит/с;
Типовое оптимальное размещение источника: 5—60 см в
центре раствора конического угла. Два устройства связываются в
полнодуплексном режиме.
Скорости передачи разделены на три категории — SIR, M IR
и FIR:
• последовательная инф ракрасная линия связи (Serial Infra­
red — SIR) — интерфейс, покрывающ ий диапазон скоро­
стей, соответствующих обычному интерфейсу RS-232
(от 9600 бит/с до 115,2 К бит/с);
• средний диапазон (M edium Infrared, MI R) — н еоф ици­
альное обозначение диапазона скоростей между 0,576 и
1,152 М бит/с;
• диапазон высоких скоростей (Fast Infrared, FIR) —
4 М бит/с;
2.4. Внешние интерфейсы
159
Кроме того, разрабатываются спецификации:
• V FIR (very fast infrared) — предполагается к работе в диапа­
зоне 9,6 Кбит/с — 16 М бит/с;
• U F IR (ultra fast infrared) должен обеспечивать скорость до
100 М бит/с.
Предусмотрены также протоколы следующих нескольких
уровней:
• IrLAP (Infrared Link Access Protocol) — обеспечивает управ­
ление доступом, установление надежного двустороннего
соединения;
• IrLM P (Infrared Link M anagement Protocol) — обеспечивает
многоканальный логический доступ, переключение уст­
ройств (активны й/пассивны й) и пр.;
• IrCOM M (Infrared Com m unications Protocol) — обеспечива­
ет работу устройств в режиме как параллельного, так и по­
следовательного портов;
• IrOBEX (Infrared Object Exchange) — обмен данными или
объектами;
• IrLAN (Infrared Local Area Network) — обеспечивает соеди­
нение инфракрасных устройств в локальную сеть в вариан­
тах — «клиент—сервер» и «точка—точка» (peer to peer).
В области мобильных вычислений IrDA обычно использует­
ся для подключения портативного компьютера к мобильному те­
лефону и установления модемной связи с Internet. IrDA также
определяет IrLAN-протокол для подключения устройств, под­
держивающих IrDA-связь со стационарной сетью.
Л R lllP tn n th * Н азванная по имени датского короля X столеDIUCIUUIM тия> Bluetooth — спецификация для портатив­
ных устройств, обеспечивающая дешевую радиосвязь между мо­
бильными компьютерами, мобильными телефонами, цифровыми
камерами, принтерами, консолями видеоигр и другими перенос­
ными устройствами, возможностью подсоединения к Internet.
Связь устанавливается в безопасном, нелицензируемом диапазо­
не ультракоротких волн «Индустриальный научный и м едицин­
ский» (Industrial Scientific and Medical — ISM ) — 2,4 ГГц (в и н ­
тервале 2,4—2,4835 ГГц в СШ А и Японии). Части этой полосы
также доступны во Ф ранции и И спании. По сути, это — тот же
самый вид микроволновой радиотехнологии, которая обеспечи­
вает беспроводной звонок входной двери и открывание гаражных
ворот. Главное преимущество систем Bluetooth перед инф ракрас­
160
Глава 2. Основные архитектурные принципы ЭВМ. Интерфейсы
ными портами состоит в том, что здесь не требуется прямая оп­
тическая видимость (табл. 2.17).
Таблица 2.17. Характеристики различных типов интерфейсов Bluetooth
Класс связи
Максимальная разрешенная мощность, мВт
Дистанция (приближенно), м
1
100
100
2
2,5
10
3
1
Устройства, связывающиеся по протоколу Bluetooth, работа­
ют в режиме «клиент—сервер» (master—slave). Устройство-кли­
ент может вызывать до 7 устройств-серверов. Клиент и сервер в
любой момент могут поменяться ролями. Эта «сеть», которую
образуют 8 или менее устройств, получила название п е р с о ­
н а л ь н о й с е т и (Personal Area Netork — PAN, или же «микро­
сеть» — piconet).
М одули B luetooth им ею т прием опередатчики, которые
сканируют пространство и обнаруживают другие устройства
Bluetooth, чтобы установить связь. Прежде чем любые данные
будут переданы между устройствами, должна быть установлена
сессия сети. По соображениям безопасности пользователь дол­
жен предоставить ручное одобрение по входу в сеть устройствам,
которые не были ранее идентифицированы как устройства, при­
надлежащие этой же PAN.
В любой момент времени данные могут передаваться между
клиентом и серверами, причем первый может быстро переклю­
чаться между вторыми на манер «карусели». Спецификации
Bluetooth допускают соединение двух или более PAN в «распре­
деленную сеть» (scatternet), где выделяются устройства, которые
в одной подсети играют роль клиента, а в другой — сервера.
Для связи модули Bluetooth используют переключение частот
(Frequency-H opping Spread Spectrum — FHSS) при пересылке
данных от передатчика одного модуля Bluetooth на приемник
другого. В отличие от переключения каналов, которое устанав­
ливает связь на некоторой частоте (канал), FHSS разбивает д ан­
ные на маленькие пакеты и передает их в ш ироком диапазоне
частот «поперек» доступной полосы частоты. Приемопередатчи­
ки Bluetooth переключают 79 частот в полосе на 2,4 ГГц с часто­
той 1600 в секунду.
2.4. Внешние интерфейсы
161
И нициатива Bluetooth поддерживается лидерами в отраслях
телесвязи, выпуска компьютеров и смежных отраслях пром ы ш ­
ленности — включая 3Com, Ericsson, IBM , Intel, Lucent,
M otorola, Nokia and Toshiba (Bluetooth Special Interest Group) —
более чем 1300 отраслевыми компаниями.
Контрольные вопросы
1. О х а р а к т е р и зу й т е п р и н ц и п ы ф о н Н е йм ана.
2. Ч то та к о е а р х и т е к т у р а N o rt h b r id g e / S o u th b rid g e ?
3. О п и ш и тё с т р у к т у р у п р о ц е с с о р а In t e l P e n tiu m .
4. Ч то та к о е п р и н с т о н с к а я и га р в а р д ск а я а р х и т е к т у р ы ?
5. О п и ш и те п р и н ц и п ы о т к р ы т о й а р х и те к тур ы IB M - P C .
6. Ч то та к о е и н т е р ф е й с ы ? К а к о в ы их к л а с с ы ?
7. П е р е ч и с л и те в н у т р е н н и е и н те р ф е й сы и д а й те их к р атки е х а р а к те р и сти к и .
8. П е р е ч и с л и те и н те р ф е й с ы н а к о п и те л е й и д а й те их кр атки е х а р а к т е р и с т и к и .
9. П е р е ч и с л и те и н т е р ф е й с ы в н е ш н и х у с т р о й с т в и д а й те их кр атки е х а р а к т е р и ­
сти ки .
10. Ч то та к о е л о к а л ь н ы е ш и н ы ?
11. П е р е ч и с л и те и о п и ш и т е р а з н о в и д н о с т и и н те р ф е й са P C M C IA .
12. П р и в е д и те х а р а к т е р и с т и к и б е с п р о в о д н ы х и н те р ф е й со в .
II -
1814
Глава 3
НАКОПИТЕЛИ МАССИВОВ ИНФОРМАЦИИ
(ВНЕШНИЕ ЗУ)
Внешние запоминаю щие устройства (ВЗУ) можно разделить
на следующие классы:
• по типу доступа:
— произвольный доступ (диски, флэш -карты );
— последовательный доступ (ленты);
• по используемой технологии записи/считы вания инф ор­
мации:
— магнитные носители (H D D , FD D);
— оптические носители (C D , DVD);
— магнитооптические носители (Fujitsu DynaM O);
— полупроводниковые (твердотельные устройства, напри­
мер флэш -память);
• по типу носителя:
— постоянные носители (несъемные жесткие диски);
— сменные носителями (гибкие диски, картриджи стриме­
ров, сменные пакеты жестких дисков, флэш -карты).
3.1. Накопители на магнитных лентах (НМЛ)
Основные принципы магнитной записи были рассмотрены в
1-й главе, здесь же мы кратко остановимся на некоторых техни­
ческих подробностях.
Технология картриджей QIC
Картриджи 0,25 дюйма (лента шириной 0,25" или 6,35 мм
ш ироко использовалась в катуш ечных магнитофонах в
1950—1980-х гг.) или Q IC (quarter-inch-tape cartridge) были введе-
3.1. Накопители на магнитных лентах (НМЛ)
163
ны в обращение в 1972 г. компанией ЗМ для сбора и хранения
данных. В дальнейшем из-за дешевизны и удобства использова­
ния они получили распространение в качестве среды архивного
хранения данных для ПК.
Q IC -картридж выглядит наподобие обычной аудиокассеты,
содержит две бобины для перемотки ленты в обе стороны, кото­
рые связаны приводным ремнем, встроенным в кассету. MJI
проходит между металлическим приводным стержнем (кабе­
стан), соединенным с двигателем и прижимным резиновым ро­
ликом.
Ф ормат QIC предусматривает линейную запись, что подразу­
мевает образование параллельных дорожек, направленных по
длине ленты (рис. 3.1, а).
2 головки
записи
и чтения
расположены
под углом 90°
2000 об/мин
Скорость
1.3 см/с
Данные, записанные
по наклонным
дорожкам, Пересе*
кающим пенту
Ж
—
Головка записи.
Головки чтения
(контроля)
а
—
б
Рис. 3.1. Запись методом QIC (о) и DAT (б)
Известно два формата картриджей — DC600 и DC2000 (бо­
лее популярный). Используются методы кодирования M FM или
RLL, аналогичные для записи на НМД.
Для работы используется головка стирания (стирающая всю
ширину ленты за один проход), записывающая головка и две
считывающие головки, предназначенные для контроля записи
(рис. 3.1, б). При записи лента движется равномерно со скоро­
стью 25—30 см /с, каждая головка записывает одну дорожку за
проход. Дополнительные головки увеличивают скорость и плот­
ность записи. Так, две головки обеспечивают 800 Кбайт/с, четыIг
164
Глава 3. Накопители массивов информации (внешние ЗУ)
ре — 1,6 М байт /с . Дорож ки, расположенные в верхней полови­
не ш ирины ленты, записываю тся при прямом движении ленты,
расположенные снизу — при обратном движении. Каждая до­
рожка записывается блоками по 512 или 1024 байт, которые
группируются в сегменты по 32 блока. В конце каждого блока
записывается циклическая контрольная сумма (CRC) для обна­
ружения и коррекции ошибок.
О сновным недостатком QIC является несовместимость,
поскольку различные форматы записи использовали от 28
до 72 дорожек (табл. 3.1) и даже более. Н апример, форматы
Q IC-3220-M C и Travan определяют стандарт мини-картриджа,
использующего 108 дорожек; Tandberg предложил формат, обес­
печивающий до 13 Гбайт емкости. Здесь используются серводо­
рожки, которые позволяют увеличить плотность записи и ско­
рость ленты, при этом скорость сравнима с НМ Д.
Таблица 3.1. Характеристики форматов метода QIC
Тип
Число дорожек
Ширина 0.25' (6,35 мм)
Более длинная лента
Ширина 0,315'(8 мм)
QIC-80
28/36
От 80 Мбайт
До 400 Мбайт
До 500 Мбайт
QIC-3010
40/50
340 Мбайт
—
420 Мбайт
QIC-3020
40/50
670 Мбайт
—
840 Мбайт
Q IC-3080
60/72
1,2 Гбайт
1,6 Гбайт
2 Гбайт
QIC-3095
72
4 Гбайт
2 Гбайт
—
Формат Travan. Форматы Travan представляют собой набор
высокоэффективных спецификаций, обладающих обратной со­
вместимостью с Q IC -форматами (табл. 3.2). Длительное время
эти системы были более дорогими, чем DAT. Здесь внесен ряд
усовершенствований, например картриджи Travan-4 содержат
встроенные механизмы выравнивания и натяжения MJI, что уп­
рощает конструкцию ЛП М .
Формат DAT. Наименование DAT происходит от Digital
Audio Таре (цифровая звукозапись), которая обеспечивает каче­
ство записи на уровне C D -аудио. На этой основе в 1998 г. Sony
и H P ввели новый стандарт записи DDS (Digital Data Storage),
который был предназначен для записи компьютерных данных.
Технология DAT /D SS использует MJI ш ириной 4 мм, на кото­
рую наносятся данные с помощью вращающихся головок (helical
3.1. Накопители на магнитных лентах (НМЛ)
165
Таблица 3.2. Характеристики форматов метода Travan
Формат
Характеристики
TR-1
TR-2
TR-3
TR-4
TR-5
400 Мбайт
800 Мбайт
800 Мбайт
1,6 Гбайт
4 Гбайт
1,6 Гбайт
3,2 Гбайт
8 Гбайт
10 Гбайт
20 Гбайт
62,5 Кбайт/с
125 Кбайт/с
62,5 Кбайт/с
125 Кбайт/с
125 Кбайт/с
60 Мбайт/мин
250 Кбайт/с
70 Мбайт/мин
60 Мбайт/мин
110 Мбайт/мин
36
50
50
72
108
14,700
22,125
44,250
50,800
50,800
QIC 80 (R/W)
QIC ЗО Ю
(R/W) QIC 80
(только R)
QIC ЗОЮ/
QIC 3020
(R/W) QIC 80
QIC 3080/QIC
3095 (R/W)
QIC 3220 (R/W)
TR-4 QIC 3095
(только R)
Емкость:
обычная
при сжатии
Скорость:
минимум
максимум
Число дорожек
Плотность
записи, ftpi
Совместимость
QIC 40
(только R)
(только R)
QIC 3020
(только R)
scan recording, или «винтовая запись»), что совпадает с методи­
кой VH S-видеозаписи (см. рис. 3.1, б).
Лента движется между бобинами картриджа и облегает ци­
линдрический барабан, который содержит две записывающие
головки и две для контрольного считывания. Поскольку барабан
вращается со скоростью 2000 об/м ин, эквивалентная скорость
движения ленты относительно головок достигает 381 см /с. На
ленту записываются диагональные треки (блоки данных), каж ­
дый из которых имеет ширину 9,1 мкм и вмещает 128 К байт
данных и контрольный код.
Системы DAT имеют два формата — DDS и DataDAT. П ро­
токол DDS более распространен и имеет несколько вариантов с
обратной совместимостью (табл. 3.3).
Таблица 3.3. Характеристики стандарта DAT
Формат
Емкость, Гбайт
Максимальная скорость, Мбайт/с
DDS
2
55 Кбайт/с
DDS-1
2— 4
0,55— 1,1
D D S-2
4— 8
0,55— 1,1
D D S-3
12— 24
1,1— 2,2
D D S-4
20— 40
2,4— 4,8
166
Глава 3. Накопители массивов информации (внешние ЗУ)
D D S-3 использует технологию винтовой записи, однако д о ­
полнительно применяется метод, характерный для НЖ М Д —
PRM L (Partial Response Maximum Likelihood), который позволя­
ет снизить уровень шумов.
Более поздний формат — DD S-4 был предложен HewlettPackard и Sony в апреле 1998 г. Это технология 4-го поколения,
которая использует снижение ширины дорожки с 9,1 до 6,8 мкм,
а длина ленты увеличена до 150 м, что дает возможность дости­
гать емкости свыше 16 Гбайт. Более высокая емкость устройств
DAT по сравнению с Q IC /Travan, однако приводит к тому, что
эти устройства почти в 2 раза дороже, чем QIC.
Технологии 8-мм лент
Технология 8-мм ленты первоначально была разработана для
видеопромышленности и была принята компьютерной промыш ­
ленностью как надежный путь для сохранения больших объемов
компьютерных данных. Подобно DAT, в ней также применяется
винтовое сканирование (см. рис. 3.1, б). Поскольку лента см а­
тывается с подающей кассеты и плотно прижимается к цилинд­
ру чтения-записи, в ней возникаю т сильные механические на­
пряжения.
Известны два основных стандарта, использующих разные ал­
горитмы сжатия данных и конструкции НМ Л, но основная
функция одна и та же. Корпорация Exabyte поддерживает стан­
дарты «8-мм» и «Мамонт», a Seagate и Сони представляют новую
8-мм технологию, известную как AIT (Advanced Intelligent
Скользящий слой
а
6
Рис. 3.2. ЛПМ для ленты 8 мм (о); МЛ типа AIT (6)
167
3.1. Накопители на магнитных лентах (НМЛ)
Таре — интеллектуальная MJI). Таблица 3.4 содержит ключевые
характеристики текущих 8-мм стандартов.
Таблица 3.4. Характеристики форматов группы «8 мм»
Стандарт
Емкость (со сжатием/
без сжатия), Гбайт
Интерфейс
Максимальная скорость,
Мбайт/мин
8 мм
3,5— 7
SCSI
32
8 мм
5 — 10
SCSI
60
8 мм
7— 14
SCSI
60
8 мм
7— 14
SCSI
120
M aM M O th
20— 40
SCSI
360
A IT-1
2 5 — 50
SCSI
360
Формат Мамонт (Mammouth). Л П М М амонт содержит на
40 % меньше частей, чем предшествующие 8-мм накопители, и
специально спроектирован, чтобы повысить надежность, ум ень­
шить износ и натяжение ленты. Панель изготовлена из алю ми­
ния методом точного литья, обеспечивает дополнительную точ­
ность и твердость, защ ищ ает внутренние элементы от пыли и за­
грязнения, удаляет тепло с трассы MJI.
П ривод MJI не использует кабестан, что устраняет часть н а­
копителя ленты, которая создает непредсказуемый износ носи­
теля. Используется технология АМ Е (advanced metal evaporated)
или нанесения металла путем испарения. Это обеспечивает а н ­
тикоррозийную стойкость и износоустойчивость ленты, срок
хранения повышается до 30 лет. Гладкая поверхность MJI увели­
чивает время износа головок до 35 тыс. ч.
Д анны е на MJI организованы в сегменты (разделы), каждый
из которых может быть записан, стерт или прочитан как одно
целое. Для коррекции ош ибок используется двухуровневый ме­
тод Reed-Solom on ЕСС. При этом ош ибки корректируются «на
лету» перезаписью блоков в пределах той же дорожки.
В 2000 г. был выпущен накопитель Exabyte M am m oth-2, в
котором устанавливались новые стандарты высокой скорости и
возможностей. Накопитель имеет скорость передачи 12 М байт/с,
8-мм лента АМ Е может загрузить максимум 60 Гбайт. НМ Л ис­
пользует интерфейс Ultra2/LVD SCSI, буфер объема 32 М байт,
многоканальную головку, новейший алгоритм коррекции ош и­
бок ЕССЗ и обеспечивает коэф ф ициент сжатия 2,5 : 1 на основе
168
Глава 3. Накопители массивов информации (внешние ЗУ)
ALDC (адаптивное сжатие данных без потерь), что дает емкость
150 Гбайт на ленту. Последующая оптоволоконная версия пред­
лагала повыш ение исходной скорости передачи до 30 М байт/с.
Технологии AIT. AIT (Advanced Intelligent Таре) — быстродей­
ствующие накопители с низкой частотой ош ибок, предназначен­
ные для организации архивных библиотек робототехнических
приложений.
Основные компоненты технологии:
• микросхема памяти на кассете (M em ory-In-Cassette —
M IC);
• передовой метод сжатия данных без потерь (Advanced
Lossless Data Compression — ALDC), разработанный IBM;
• лента с вакуумным нанесением магнитного слоя (advanced
metal evaporated — АМ Е).
M IC представляет собой программируемую микрохему памя­
ти объемом 16—64 Кбайт, размещенную на кассете. Пятиш тырь­
ковый разъем соединяет кассету с Л ПМ при ее установке. M IC
содержит информацию о размещ ении файлов на ленте, индексы
и сведения о дополнительных областях данных.
Поскольку микропрограммы накопителя оценивают расстоя­
ние до необходимого сегмента, при перемотке нет необходимо­
сти читать индивидуальные маркеры адреса при перемотке МЛ.
При приближении к цели двигатели замедляются, чтобы можно
было считывать маркеры ID для более точного позиционирова­
ния. Результатом является повыш ение скорости поиска (вплоть
до 150-кратной к скорости чтения/записи), а также уровня н а­
дежности ключевого поиска. Среднее время доступа уменьшает­
ся до 20 с (100 с у конкурирующих моделей).
Метод сжатия ALDC реализуется микросхемами, которые
были ранее доступны только в мейнфрейм-маш инах, и обеспе­
чивает средний коэф ф ициент сжатия данных 2,6 : 1 для м ного­
численных типов данных, по сравнению с 2 : 1 для более старых
алгоритмов ID R C или DLZ. Для обнаружения и коррекции
ош ибок используется метод «чтение во время записи», коррек­
ция кода записи (ЕСС) обнаруживает и корректирует любые
аномалии записи, перезаписывая данные после того, как отбра­
кованная область ленты прошла.
Целостность данных обеспечивается также использованием
технологии носителя АМ Е — основа ленты проходит через ваку­
умную камеру, которая содержит пар, молекулы которого вне­
дряются непосредственно во внеш ний слой основы без исполь­
3.1. Накопители на магнитных лентах (НМЛ)
169
зования клейких веществ, и следовательно, становятся частью
основы. Кроме того, покрытие DLC (diamond like carbon — алмазо-подобный углерод) защ ищ ает напыленный слой от цара­
пин на поверхности (рис. 3.6, б).
Первоначальная емкость НМЛ AIT-1 составляла 25 Гбайт и
была повыш ена в 1999 г. до 35 Гбайт без сжатия (90 Гбайт со сж а­
тием), а в начале 2001 г. была достигнута скорость передачи в 4 и
10 М байт/с, соответственно. Затем был введен формат AIT-2,
полностью обратно совместимый по чтению и записи с AIT-1, ко­
торый обеспечивает повыш ение емкости и скорости (табл. 3.5).
Таблица 3.5. Характеристики метода записи А1Т
Формат
Характеристики
Обычная емкость, Гбайт
при сжатии, Гбайт
Обычная скорость, Мбайт/с
при сжатии, Мбайт/с
Размеры, дюймы
Тип носителя
Срок службы, тыс. ч
AIT-1
AIT-2
AIT-3
S-AIT
35
90
50
130
100
260
500
1,3 Тбайт
4
1
6
15,6
31,2
30
78
3,5
3,5
3,5
5,25
8 мм А М Е
8 мм А М Е
8 мм А М Е
1/2' А М Е
300
300
400
500
12
Кроме того, в AIT-2 используются многослойные «гиперметаллические» головки, обеспечивающие плотность записи на
50 % большую, чем обычное оборудование.
Лента цифровой линейной записи (Digital Linear Таре — DLT)
П оявление технологии DLT относится к середине 1980-х гг.,
когда корпорация DEC разработала методы записи на стандарт­
ную полудюймовую магнитную ленту для использования в сис­
темах Micro VAX. Первая DLT-система появилась в 1989 г.
Ф актически, DLT — адаптация традиционного метода записи
при перемотке ленты с катушки на катушку, здесь картридж
ленты выполняет роль одной катушки, а привод ленты — вто­
рой (рис. 3.3, а).
DLT использует полудюймовую металлизированную ленту,
которая на 60 % шире, чем 8-мм пленка. Каждая дорожка данных
занимает полную длину пленки. Когда конец ленты достигнут,
170
Глава 3. Накопители массивов информации (внешние ЗУ)
Головка
IМ11111111
111111М 111
11111111М I
1 1 1 М 111111
11М1111111
11111М 1111
МII1111111
шипим
а
6
Рис. 3.3. Л П М для метода DLT (а); метод записи Advanced Digital Recording
(ADR) (б)
головки повторно устанавливаются, чтобы произвести запись но­
вого набора дорожек, и лента снова записывается на полной дли­
не, в противоположном направлении. Процесс продолжается в
обе стороны, пока лента не заполнена; может быть записано от
128 до 208 дорожек. Более высокая плотность достигается, если
использовать на смежных дорожках методику Symmetric Phase
Recording (SPR), при этом происходит запись «елочкой».
В НМ Л DLT используется уникальный дизайн «блока управ­
ления головкой» (Head Guide Assembly — HGA). DLT HG A —
имеющая форму бумеранга алюминиевая пластина с шестью ус­
тановленными на ней роликами. Система рычагов регулирует
скорость и натяжение ленты, минимизируя трение. Это продле­
вает «время жизни» головок до 30 ООО ч (2000 ч для «винтовых»
устройств на 8 мм).
Super DLT. Следующее поколение Digital Linear Таре
(DLT) — Super DLT. Накопители, базирующиеся на технологиях
Super DLT, далеко превосходят по своей емкости предел в
35 Гбайт, присущий формату DLTape IV, сохраняя обратную со­
вместимость.
В Super DLT применяется лазер для точного позиционирова­
ния головок записи-считывания — принцип магнитной записи с
лазерным управлением (Laser Guided M agnetic Recording —
LGM R) В основе LG M R находится оптическая сервосистема
(Pivoting Optical Servo — POS), которая позволяет на 10—20 %
171
3.1. Накопители на магнитных лентах (НМЛ)
увеличить емкость накопителей. При движении носителя через
систему POS лазерный луч следит за обратной стороной лены,
на которую нанесены оптические метки. Механизмы POS обес­
печивают размещение магнитной головки точно по магнитным
трекам ленты.
Другой инновационной технологией, используемой в Super
DLT, является усовершенствованный вариант метода зап и ­
си-чтения PRM L, который более ассоциируется с НЖ М Д, неж е­
ли с НМ Л.
К ак это видно из табл. 3.6, технология Super DLT позволяет
достичь емкости до 1,2 Тбайт несжатых данных на один кар­
тридж устройства и соответствующей скорости передачи —
100 М байт/с.
Таблица 3.6. Характеристики накопителей на основе Super DLT
Тип устройства
Характеристики
SDLT 220
SDLT 320
SDLT 640
SD LT 1280
SDLT 2400
Ёмкость при несжатых
данных, Гбайт
110
160
320
640
1200
Емкость при сжатии
( 2 : 1 ) , Тбайт
0,22
0,32
0,64
1,28
2,4
11
16
32
Более 50
Более 100
22
32
64
100
200
SDLT I
SDLT I
S D L T II
S D L T III
S D L T IV
TBD
TBD
2005
2006
Скорость передачи не­
сжатой информации,
Мбайт/с
Скорость при сжатии,
Мбайт/с
Носитель
Интерфейс
Выход на рынок, год
Ultra2 S C S I
Ultra2 S C S I
Ultra 320 S C S I
LVD HVD
Ultral 60 S C S I
Fibre channel
2001
2002
2003
Расширенная технология цифровой записи
(Advanced Digital Recording — ADR)
Разработана корпорацией Philips (см. рис. 3.3, б). Первые
устройства ADR были запущены весной 1999 г. в форме НМ Л с
интерфейсом IDE, способного к записи 15 Гбайт исходной или
30 Гбайт сжатой информации на картридж.
П ривод ленты способен непрерывно контролировать ее см е­
щение вверх или вниз даже на малейшую величину, в результате
172
Глава 3. Накопители массивов информации (внешние ЗУ)
этого достигается высокая плотность — до 192 дорожек на 8-мм
пленке. Способность A D R читать или записывать все восемь д о ­
рожек данных одновременно дает возможность получить внуш и­
тельные скорости передачи при относительно низких скоростях.
Износ ленты минимален, а также появляется возможность кон­
троля и исправления ош ибок как в горизонтальном, так и верти­
кальном направлениях. П рименяемый здесь код исправления
ош ибок (ЕСС ) значительно более эффективен, чем в обычных
системах, когда код исправления ошибки действует только в од­
ном измерении (по дорожке данных). Ф актически, ЕСС для AD R
позволяет обеспечить 100%-ное восстановление данных, даже
если до 24 из 192 дорожек разрушены по полной длине ленты.
Технология УХА
В процессе передачи данных с MJ1 может возникнуть необ­
ходимость остановки передачи с последующим ее возобновлени­
ем (при разрыве связи, занятости шины, переполнении буфера
чтения и др.). Для этого необходима обратная перемотка ленты
и поиск точки прерывания чтения, что приводит к затратам вре­
мени и ф изическим перегрузкам для механизма и носителя и н ­
формации.
Технология, предложенная Ecrix Corp. (VXА) в 1999 г., п о ­
зволяет разрешить эту и ряд других проблем НМ Л. Она исполь­
зует разбиение потока данных не на традиционно длинные бло­
ки, а на небольшие пакеты данных, содержащие также кон ­
трольную информацию (Discrete Packet Form at — D PF) перед
записью на ленту.
D P F допускает, чтобы пакеты, образующие поток дайных,
прибывали в буфер данных в различные моменты времени, с по­
следующей сборкой в исходный поток (строку). Каждый пакет
данных включает 64 байта пользовательских данных, маркер
синхронизации, уникальный адрес коды C R C и ЕСС. Каждая
дорожка содержит 387 отдельных пакетов данных и считывается
через специальный буферный массив.
При записи данных на каждой дорожке используются две
магнитные головки — первая для записи данных, вторая — для
контрольного чтения.
VXA использует 4-уровневую схему коррекции ошибок, ко­
торая реализована в двух фазах. Во-первых, каждый пакет содер-
3.2. Накопители на магнитных дисках (НМД)
173
Fiuthpi ланмык
Разрушенные данные
CRC
Рис. 3.4. О рганизация данных при технологии VXA
жит корректирующий код Рида-Соломона, который позволяет
устранить небольшие ош ибки, связанные с шумовыми воздейст­
виями. Во-вторых, когда пакеты собираются в буфере, они ф ор­
мируют массив, содержащий трехмерный корректирующий код
(ЕСС по оси X, ЕСС по оси Y и диагональный ЕСС).
Сочетание D PF, операций с MJI на переменной скорости и
многомерного контроля данных позволяет осуществлять считы ­
вание данных из любого физического адреса на ленте, без необ­
ходимости сканирования дорожек от начала (рис. 3.4).
3.2. Накопители на магнитных дисках (НМД)
В НМ Д предусмотрена аналогичная НМЛ возможность по­
следовательного доступа к информации. Накопитель на магнит­
ных дисках сочетает в себе несколько устройств последователь­
ного доступа, причем сокращ ение времени поиска данных обес­
печивается за счет независимости доступа к записи от ее
расположения относительно других записей.
Технология НМД
Конструкция Н М Д сложнее, чем у НМ Л, а следовательно,
их стоимость выше. В НМ Д в качестве носителей данных ис­
пользуется пакет магнитных дисков (или плоттеров), закреплен­
174
Глава 3. Накопители массивов информации (внешние ЗУ)
ных на одном стержне, вокруг которого они вращаются с посто­
янной скоростью. Поверхность магнитного диска, покрытая
ферромагнитным слоем, называется рабочей.
Первые подобные устройства (рис. 3.5, а) были оборудованы
сменными пакетами МД. Вставленные в кожух с герметически
закрывающимся поддоном, они образовывали компактные еди­
ницы хранения, именуемые томами. Наиболее распространен­
ными емкостями томов были — 7,25, 29, 100, 300 Мбайт. Опера­
тор ставил пакет на ш пиндель устройства, снимал кожух (при
этом пакет автоматически фиксировался на шпинделе) и вклю­
чал двигатели раскрутки пакета. После достижения определен­
ной скорости вращения осуществляется ввод в пространство м е­
жду дисками пакета блока магнитных головок («гребенки»).
П ринцип размещения головок — плавающий, поскольку они
удерживаются на необходимом расстоянии от поверхности диска
расходящимися потоками воздуха, возникаю щ ими при враще­
нии пакета.
Рис. 3.5. Накопители на жестких МД:
а — НМД ЕС 5061 (прототип IBM 2311 — сменные и съемные пакеты дисков;
29 Мбайт); 6 — «винчестер» (несменны е и несъемные пакеты дисков; до
500 Гбайт)
В дальнейшем в основном применялись или полноконтакт­
ные головки (гибкие диски) или механически фиксируемые в ва­
кууме на определенном расстоянии от поверхности («винче­
стер»). Попытки использовать жидкие среды (различные масла)
для обеспечения необходимого размещения головок успеха не
имели.
3.2. Накопители на магнитных дисках (НМД)
175
Накопители на жестких магнитных дисках
Конструкция и функционирование устройства. В НЖ М Д внут­
ри накопителя устанавливается несколько пластин (дисков), или
платтеров (рис. 3.5, б). Пластины имеют диаметр 5,25 или
3,5 дюйма. В новых разработках пытаются использовать стекло,
поскольку оно имеет большее сопротивление и позволит делать
диски тоньше, чем алюминиевые аналоги.
М еханизм герметически запечатан в корпус с частичным ва­
куумом внутри. Эту конструкцию часто называют главным диско­
вым агрегатом (HDA). Среда внутри жесткого диска должна быть
очищ ена от пыли, для этого воздух, попадающий в HDA, про­
пускается через специальные фильтры. Двигатель, вращающий
диск с постоянной скоростью, измеряемой в оборотах в минуту
(rpm ), включается при подаче питания на диск и остается вклю ­
ченны м до снятия питания.
Между пластинами существует расстояние для читаю щ ей/за­
писываю щей головки, установленной на конце двигающегося
рычага. Головка удалена от пластины на долю миллиметра.
В первых системах эта дистанция составляла 0,2 мм, на сего­
дняш ний день она сокращ ена до 0,07 мм. Поэтому, малейшее
загрязнение может разрушить головку, сблизив ее с диском, а
также повредить магнитное покрытие диска.
Головки рассчитаны таким образом, чтобы касаться диска
только после его остановки, когда питание отключено. При сн и ­
жении оборотов вращ ения воздушный поток ослабевает и, когда
прекращ ается полностью, головка осторожно касается поверхно­
сти диска. Точку касания называют зоной посадки LZ (land
zone), которая специально предназначена для касания головки и
не содержит данных.
Когда диск форматируют на физическом уровне, он разделя­
ется на секторы и дорожки. Ф изически дорожки расположены
друг над другом и образуют цилиндры, которые затем делятся по
секторам. В одном секторе 512 байтов. Сектор — минимальная
единица измерения размера диска. Все жесткие диски имеют ре­
зервные сектора, которые используются его схемой управления,
если на диске обнаружены дефектные сектора.
Для установки дисковых накопителей в системном блоке
предусмотрены специальные монтажные отсеки. Габаритные
размеры, соответствующие горизонтальному и вертикальному
176
Глава 3. Накопители массивов информации (внешние ЗУ)
размерам винчестера, стандартизированы и характеризуются ти­
поразмерами, или форм-фактором (form-factor).
Внутри винчестера находятся электронные компоненты, не­
обходимые для управления нормальным функционированием
привода (расш ифровка команд контроллера диска, стабилизация
скорости вращ ения, генерирование сигналов для головок записи
и усиление сигналов от головок чтения и т. д.). В ряде случаев
применяю тся цифровые процессоры сигнала — DSP (Digital
Signal Processors).
В ранних конструкциях НЖ М Д местоположение данных
(цилиндр/головка/сектор) определял компьютер, но сегодняш ­
ние устройства способны это сделать самостоятельно с помощью
встроенных управляющих схем.
В прошлом контроллер диска не успевал считывать ф изиче­
ски смежные сектора, таким образом, диску требовалось совер­
шить полный оборот прежде, чем следующий логический сектор
мог считаться. Чтобы уменьш ить время ожидания, используется
фактор чередования (например, N : 1, когда один сектор считы­
вается, а N пропускаются). В современных НЖ М Д применяется
интегрированный контроллер и собственный буфер данных для
повыш ения быстродействия.
Н Ж М Д могут содержать от 256 Кбайт до 8 М байт кэш -пам я­
ти, которая хранит всю информацию о секторах, цилиндрах и
предоставляет ее в случае необходимости. Это очень эффективно
для ускорения производительности и сокращ ении времени дос­
тупа. Контроллер диска также обрабатывает сервоинформацию,
которая обеспечивает непрерывную коррекцию позиции голов­
ки. Эта инф ормация может содержаться на одной из пластин
или вперемежку с остальными данными на всех пластинах. Вы­
деление отдельной пластины для этих целей сокращает время
доступа к данным, но обходится значительно дороже.
Любая операция чтения (записи) инф ормации с (на) магнит­
ного диска состоит из трех этапов. На первом этапе происходит
механический подвод магнитной головки к дорожке, содержа­
щей требуемые данные. На втором этапе обеспечивается ожида­
ние момента, пока требуемая запись не окажется в зоне магнит­
ной головки. На третьем этапе осуществляется собственно про­
цесс обмена информацией между вычислительной машиной и
магнитным диском. Таким образом, общее время, затрачиваемое
на операцию записи-считывания, состоит из суммы времен по­
иска соответствующей дорож ки, ожидания подвода записи (так
3.2. Накопители на магнитных дисках (НМД)
177
называемое время ротационного запаздывания) и обмена с
ЭВМ. М аксимальное значение времени ротационного запазды ­
вания равно времени, за которое совершается полный оборот
магнитного диска.
Пара «привод—движение головок» образует замкнутую сер­
восистему, для нормального функционирования которой требу­
ется специальная сервоинформация. Для хранения этой и н ф ор­
мации используются или выделенные, и (или) рабочие поверх­
ности самого носителя (выделенные, встроенные и гибридные
сервосистемы). Благодаря сервоинформации всегда известно м е­
стонахождение позиционера. Преимущественно используются
встроенные сервомеханизмы, так как они позволяют сохранять
на диске больше полезной информации (более эффективное и с­
пользование поверхностей дисков).
Характеристики НЖМД. Характеристики жесткого диска
очень важны для оценки быстродействия системы в целом. Э ф ­
фективное быстродействие жесткого диска зависит от ряда ф ак ­
торов (табл. 3.7).
Таблица 3 .7. Некоторые характеристики НЖМД
Пояснения
Характеристика
Скорость вращения
дисков, об/мин, rpm
НЖ М Д с интерфейсом EIDE имели скорость около 5400 об/мин,
S C S I-Н Ж М Д развивает до 7200 об/мин. В 1999 г. Hitachi перешла барь­
ер в 10 000 об/мин, выпустив Pegasus II S C S I-НЖМД. При скорости
вращения 12 000 об/мин данные передаются со средним временем
ожидания 2,49 мс
Время ожидания, мс
Среднее время доступа к сектору в процессе вращения (время полу­
оборота)
Время поиска, мс
Итоговое время, необходимое для поиска головкой чтения/записи ф и ­
зического расположения данных на диске
Среднее время дос­
тупа дисковода, мс
Интервал между моментом запроса к данным и моментом доступа к
ним (измеряется в миллисекундах (мс)). Время доступа включает ф ак­
тическое время поиска, время ожидания и время обработки данных
диска, Мбайт/с
Скорость передачи
Скорость, с которой данные передаются на дисковод и считываются
с него, зависит от плотности записи
Скорость передачи
данных, Мбайт/с
Data transfer rate (DTR) — это скорость, с которой данные через шины
IDE/EIDE или S C S I передаются на ЦП
К концу 2001 г. самые быстрые дисководы работали при
среднем времени ожидания менее 3 мс, среднем времени поиска
1 2 - 1814
178
Глава 3. Накопители массивов информации (внешние ЗУ)
в диапазоне от 3 до 7 мс и максимальной скорости передачи
данных в районе 50—60 М байт/с для E ID E и SCSI дисководов,
соответственно. Для некоторых типов устройств максимальные
значения D TR определяются ниже уровня пропускной способ­
ности — U ltra А Т А /100 и U ltraSCSl 160, — которые определены
в 100 и 160 М байт/с соответственно.
С 1955 г. магнитная запись на жестких дисках постоянно со­
вершенствовалась и плотность хранения данных возрастала на
27 % в год, а с 1990 г. — на 60 % в год. В итоге к концу ты сяче­
летия дисководы способны были хранить инф ормацию в диапа­
зоне 600—700 М бит/дю йм2.
Технологии чтения-записи развивались параллельно с жест­
кими дискам и, хотя в большей мере основывались на «напряже­
нии индукции», когда постоянны й магнит (диск) двигается воз­
ле магнитного сердечника (головки). Первые записываю щие го­
ловки представляли собой железный сердечник, обмотанный
проводом, подобно электромагнитам, которые можно часто
встретить на уроках ф изики в начальной школе. В дальнейшем
была открыта тонкопленочная индукция (TF1), которая позволи­
ла производить головки чтения/записи в больших количествах
по технологии, аналогичной полупроводниковым процессорам.
Эта технология была стандартом до середины 1990-х годов.
К этому времени стало невозможным повышать плотность хра­
нения данных, увеличивая чувствительность магнитной головки
путем добавления T F l-витков, потому что это повышало уро­
вень индуктивности, который ограничивал способность записи
данных.
Магниторезистивные (MR-) технологии
В 1991 г. IBM разработала технологию AM R, позволяющую
создавать магниторезистивные головки (M R ), использующие
«MR-эффект», состоящий в том, что сопротивление ферромаг­
нитного сплава изменяется в магнитном поле.
Датчики G M R используют представления квантовой механи­
ки, где спин (вектор вращ ения) электрона может иметь два на­
правления — вверх и вниз (рис. 3.6). Электроны с направлением
вращ ения, параллельным направлению магнитного поля, двига­
ются свободно, и этому соответствует более низкое сопротивле­
ние. Наоборот, при движении электронов против действия маг-
3.2. Накопители на магнитных дисках (НМД)
179
Индуктивный
записывающий
элемент
Внешняя пленка
/
Н и ж н я я лпе нка
(Э кр а н 2)
I
1
(Ж
Л
шшт
—
Г------------
.
1
Спин-клапан
(сенсор GMR)
f
I
Медная
прокладка
Ферроникелевап
свободная пленка
" Кобальтовая •
закрепленная пленка..
/А
/Д
Экран 1
Рис. 3.6. Технология MR
нитного поля электроны имеют частые столкновения, создавая
более высокое сопротивление. IBM разработала структуры, о п ­
ределенные как спин-клапаны, в которых одна магнитная пленка
закреплена (направление магнитного поля определено), а вторая
магнитная пленка или магнитный датчик имеет свободную маг­
нитную ориентацию. Это очень тонкие пленки, расположенные
очень близко к друг другу, позволяя электронам любого направ­
ления вращения двигаться вперед и назад между ними. И зм ене­
ния магнитного поля, исходящего от диска, вызывают изм ене­
ние магнитной пленки датчика, который, в свою очередь, изм е­
няет сопротивление всей структуры. Низкое сопротивление
возникает, когда датчик и скрепленные пленки ориентированы в
одном и том же направлении, в этот момент электроны в обеих
пластинах свободно вращаются в одном направлении.
Более высокое сопротивление возникает, когда ориентация
магнитного датчика и скрепленных пластин противоположны,
потому что движение электронов или направление движения
препятствуют друг другу. Датчики G M R могут использоваться
при значительно более высоких величинах плотности данных,
чем M R -датчики, потому что относительное изменение сопро­
тивления здесь больше. Поэтому G M R -датчики более чувстви­
тельны к магнитным полям диска.
180
Глава 3. Накопители массивов информации (внешние ЗУ)
В M R -головках пишущий элемент — обычная T F I-головка, в
то время как элемент чтения состоит из тонкой полоски магнит­
ного материала (см. рис. 3.6). Сопротивление полоски изменяет­
ся в присутствии магнитного поля, производя сильный сигнал с
низким шумом, что дает существенное повыш ение плотности.
При чтении M R имеет большую чувствительность, обеспечивая
четкость сигнала при прохождении дорожки на поверхности
диска. Более того, данная технология обеспечивает работу при
плотном расположении большого объема данных на поверхно­
сти диска. Такая производительность вызывает свои трудности:
необходимо строгое соблюдение мер предосторожности при ра­
боте с M R -головками. Кроме того, они чувствительны к загряз­
нению и подвержены коррозии.
Различные усовершенствования позволяю т M R -головкам
считывать данные, записанных в 4 раза плотнее и с большей
скоростью, чем это может сделать T F I-головка. Это означает,
что данная технология обеспечивает плотность до 3 Гбит/дю йм2.
Технология GMR. G M R -технология (G iant Magneto-Resistive)
устройства головки чтения/записи основывается на существую­
щих технологиях TFI и M R и позволяет создавать головки с бо­
лее высокой чувствительностью к переменному магнитному
полю диска. Технология способна работать с беспрецедентной
плотностью и скоростью передачи данных, передавать данные на
скорости обработки процессором. Предположительно, совмеще­
ние теории квантовой механики и точности сборки позволит ра­
ботать с величиной плотности данных в диапазоне от 10
до 40 Гбит/дю йм2.
Промыш ленные версии G M R -дисков имеют плотность
записи 4,1 Гбит/дюйм2, в лабораторных условиях достигнуты
плотности 10 Гбит/дюйм2. В этих головках толщ ина датчика
0,04 мкм. IBM планирует сокращ ение толщ ины до 0,02 мкм, что
позволит достигнуть плотности хранения 40 Гбит/дю йм2. Высо­
кая плотность позволит уменьш ить диаметр платтеров, расходо­
вать меньше энергии, что в свою очередь увеличит скорость пе­
редачи данных. Кроме того, используя меньшие размеры диска
и более легкую головку чтения/записи может быть увеличена
скорость вращения диска и уменьшено время ожидания.
IBM производит универсальные головки чтения/записи по
технологии G M R с 1992 г. Они состоят из тонкой индуктивной
пленки, пишущего и читающего элемента (рис. 3.7). Элемент
чтения состоит из G R - или G M R -датчика между двумя магнит-
3.2. Накопители на магнитных дисках (НМД)
181
Рис. 3.7. Технология G M R
ными экранами. М агнитные экраны защищают от воздействия
внешних магнитных полей, поэтому G M R по существу «видит»
только магнитное поле данных, которые и считывает.
RAID
В 1980-х гг. мощности дисководов были ограничены, и более
мощные устройства стоили намного дороже. Как альтернатива
отдельным дорогостоящим и высокопроизводительным устрой­
ствам, разработчики накопителей начали экспериментировать с
наборами, менее дорогих НЖ МД меньшей емкости. В 1988 г.
появился термин RAID — (Redundant Array O f Inexpensive Disks)
и з б ы т о ч н ы й м а с с и в н е д о р о г и х д и с к о в , что означало
объединение небольших дешевых дисководов в один набор, что­
бы он мог выступать в системе как е д и н с т в е н н ы й б о л ь ­
ш о й д о р о г о й д и с к о в о д (Single Large Expensive Drive —
SLED). Такой массив, как предполагалось, должен иметь луч­
шие показатели, чем индивидуальный НЖ М Д. Проблема, одна­
ко, состояла в том, что среднее время наработки на отказ
(M TBF) массива дисков уменьшалось из-за возможности выхода
из строя любого устройства. Последующее развитие имело след­
ствием спецификацию шести стандартизированных уровней
RAID, чтобы обеспечить баланс защиты данных и работы. Ф ак­
тически, термин «уровень» несколько вводит в заблуждение, по­
тому что эти модели не представляют иерархию; например, мас­
сив RAID 5, не обязательно лучше или хуже, чем RAID 1. Н аи­
более часто используются уровни 0, 3 и 5.
182
Глава 3. Накопители массивов информации (внешние ЗУ)
Уровень 0 подразумевает «расщепление данных» без избыточ­
ности (размещение блоков каждого файла на различных дисках).
Это улучшает работу, но не способствует устойчивости к ош иб­
кам. RAID 0 образует «полосы» (виртуальные дорожки), прохо­
дящие в нескольких дисководах, что позволяет параллельно п о ­
лучать данные от нескольких устройств.
Уровень 1 подразумевает зеркальный диск — метод, при кото­
ром данные записываются на двух дисках одновременно так, что­
бы, если один из дисководов дает сбой, то система могла немед­
ленно переключиться к другому диску без всякой потери данных.
RAID 1 имеет лучшие характеристики и устойчивость к ош иб­
кам, но это осуществляется за счет мощности используемых дис­
ководов (здесь дублирование составляет по меньшей мере 100 %).
Уровень 3 аналогичен уровню 0, но при уровне 0 вместимость
меньше при том же количестве дисководов. Здесь достигается
более высокий уровень целостности данных или устойчивость к
ошибке путем выделения одного тома (дисковода), используемо­
го для исправления ошибочных данных. Он хранит контрольную
информацию , которая используется для поддержания целостно­
сти данных всех дисководов в подсистеме.
Уровень 5 — наиболее используемый, обеспечивает разделе­
ние данных на уровне байта, а также разделяет информацию для
исправления ошибки. На уровнях 3 и 5 избыточная информация
представляет собой контрольные данные (например, цикличе­
ские контрольные суммы блоков или биты контроля четности
байтов), которые заносятся на выделенный для этих целей избы­
точный дисковод (избыточность в диапазоне от 10 до 33 %).
Рисунок 3.8 иллюстрирует концепцию разделения данных в
RAID, блок со значениями 73, 58, 14 и 126 может быть разделен
массивом RAID 3, включающим четыре дисковода данных и
контрольный том, использующий контроль четности.
Метод хранения разделенных данных используется в боль­
шинстве уровней RAID. Д анны е разделены на доли или «полоРабочие диски
2/
\ з
т т Шш
т Ш
Контрольный
(Parity) диск
-____
Рис. 3.8. Разделение данных в RAID
&
3.2. Накопители на магнитных дисках (НМД)
183
сы», которые записаны последовательно на разных дисководах,
причем каждая полоса имеет определенный размер или «глуби­
ну» в блоках.
Системы SMART
В 1992 г. IBM начала производить 3,5 дюймовые НЖ М Д, ко­
торые могли предсказать сбой при работе, снабженные средст­
вом, прогнозирующим отказы (Predictive Failure Analysis — PFA).
При этой технологии периодически измеряются определенные
характеристики работы дисковода, например, расстояние от го­
ловки до диска, и посылаются предупреждения, когда некото­
рый порог превышен. Известны два вида отказов жесткого д и с­
ка — непредсказуемый и предсказуемый. Непредсказуемые отка­
зы случаются неожиданно и могут быть вызваны статическим
электричеством, повреждением, или тепловыми проблемами.
Ф актически 60 % отказов двигателя являю тся механическими, и
обычно связаны с износом двигателя (табл. 3.8). Эти элементы
были тщательно исследованы, что позволило создавать более на­
дежные изделия, а также предсказывать отказы устройств. Вне­
дрение технологии PFA в конечном счете привела к созданию
системы SMART, которые стали индустриальным стандартом
надежности для устройств ID E, АТА и SCSI.
Идея SMART (Self-M onitoring Analysis and Reporting Technolodgy — технология самоанализа и информирования) заключается
в создании механизма предсказания возможного выхода из строя
НЖ М Д и предотвращения тем самым потери данных.
Для анализа надежности НЖ М Д используются две группы
параметров (здесь и далее подразумевается диск, поддерживаю­
щий SM ART-технологию). Первая характеризует параметры ес­
тественного старения жесткого диска:
• количество циклов вклю чения/вы клю чения (старт/стоп);
• количество оборотов двигателя за время работы;
• количество перемещ ений головок.
Вторая группа информирует о текущем состоянии качества
накопителя:
• высота головки над поверхностью диска;
• скорость обмена данными между дисками и кэш -памятью
на диске;
184
Глава 3. Накопители массивов информации (внешние ЗУ)
Таблица 3.8. Данные о дефектах жесткого диска
Вид дефекта
Симптом/Чем вызвано
Что предсказывает
Количество дефектов поверх­
Большое количество плохих Физические дефекты поверх­
секторов
ности, повреждения при транс­ ности, скорость их роста
портировке
Чрезмерный шум
Дефект мотора, повреждения
Диагностика
при транспортировке
Значительное количество
нерегулярных ошибок
Повреждение головки или ее
Частые повторы при обраще­
загрязнение
нии к диску, срабатывание схе­
мы ЕСС контроля
Отказ мотора
Не вырабатывается сигнал го­
Повторы включения, увеличе­
ние времени набора номиналь­
товности, нет шума вращения
дисков/Дефект мотора, повре­ ной скорости вращения
ждения при транспортировке
Диск не отвечает (эффект
Дефект электроники диска
такой же, как при отсутст­
вии диска)
Ошибки позиционирования
серводвигателя
Ничто не может предсказать
катастрофу в данном случае (к
сожалению)
Большое количество ошибок
перемещения головок/ Повре­
Ошибки позиционирования,
частые повторы калибровки
ждения при транспортировке
Сбой работы головки, резо­ Значительное количество нере­ Рост ошибок при чтении, а так­
нанс при ее перемещении
гулярных ошибок
же ошибок позиционирования
- • количество переназначений плохих секторов (когда вместо
испорченного сектора подставляется свободный исправ­
ный);
• количество ошибок поиска;
• количество операций перекалибровки;
• скорость поиска данных на диске.
Типичные дефекты жесткого диска и способы их предсказа­
ния приведены в табл. 3.8.
Значения всех параметров (как и собственное программное
обеспечение накопителя), как правило, хранятся на специаль­
ных дорожках диска, не видимых со стороны компьютера или,
что бывает значительно реже, в энергонезависимой памяти.
В силу некоторой ограниченности технологии SMART
(пользователь оказывается перед сверш ивш имся фактом —
«диск почти сломался, его осталось только заменить») появились
расш ирения способов предотвращения потери данных, разрабо­
танные отдельными фирмами-производителями жестких дисков.
185
3.2. Накопители на магнитных дисках (НМД)
Гибкие магнитные диски
В 1969 г. первая реализация гибкого диска была использова­
на в системе универсальных компьютеров IBM 370. Это было
устройство, предназначенное только для чтения, в форме пласт­
массового диска диаметром 8" (20 см), покрытого окисью желе­
за, весом менее 2 унций и емкостью около 80 Кбайт. Д иск раз­
мещался в защ итном корпусе, облицованном изнутри тканевым
покрытием для его очистки.
В 1973 г. IBM выпускает новую версию такого устройства
для использования в системах ввода данных серии 3740. Оно
имело соверш енно другой формат записи, двигатель вращался в
противоположном направлении, устройство обладало способно­
стью как чтения, так и записи и имело вместимость 256 Кбайт.
В 1976 г. (примерно в это время персональные компьютеры вы­
ходили на сцену) ф орм -ф актор 8" был заменен дискетой в 5,2",
а затем — 3,5".
Первоначально дискета диаметра 5,25"(133 мм) имела вм е­
стимость 160 Кбайт, которую быстро сменили 180 и затем
360 Кбайт с появлением двусторонних дисков (табл. 3.9).
В 1984 г. дискета 5,25" достигла максимальной вместимости в
1,2 М байт, и тогда же Apricot и Hewlett-Packard начали выпус­
кать персональные компьютеры с новым 3,5" (89 мм) д исково­
дом Sony емкостью 720 Кбайт. Через три года емкость удвоилась
до 1,44 Мбайт.
Дискета состоит из круглой полимерной подложки, покры ­
той с обеих сторон магнитным окислом и помещенной в пласти­
ковую упаковку, на внутреннюю поверхность которой нанесено
очищаю щее покрытие. В упаковке сделаны с двух сторон ради­
альные прорези, через которые головки считы вания/записи на­
копителя получают доступ к диску (рис. 3.9).
а
6
в
Рис. 3.9. Разновидности дискет для НГМД:
а — диаметр 5 !/4 дюйма; б — З '/г дюйма; в — 2,8 дюйма
Глава 3. Накопители массивов инф ормации (внеш ние ЗУ)
186
Таблица 3.9. Основные этапы исторической последовательности развития форматов
гибких МД
Формат гибкого лиска
Год выпуска
Форматированная емкость,
KiB, если не указано
8’ — IBM 23FD (только чтение)
1969
81,664 Кбит
8’ — Mem orex 650
1972
175,000 Кбит
8’ — SS SD IBM 3 3 FD / Shugart 901
1973
256,256 Кбит
8’ — DSSD IBM 43FD / Shugart 850
1976
512,512 Кбит
5'W (35 track)
1976
89,6
18 " DSDD IBM 53FD / Shugart 850
1977
1200
|51/4'D D
1978
360
31/2‘ HP односторонний
1982
280
3‘
1982
360
3 1/2‘ (DD при первом выпуске)
1984
720
1982 YE Data YD380
1 182 720 байт
3‘ DD
1984
720
3" M itsum i Quick Disk
1985
128— 256
2”
1985
720
1986
100 M iB
31/2’ HD
1987
1440
3 1/2- ED
1991
2880
3 1/2- LS— 120
1996
120,375 MiB
] з ’ /2Ч 5 — 240
1997
240,75 MiB
1998/99
150/200 MiB
51/ / QD
|51/4' Perpendicular
| з 1/2- HiFD
|
С о кр ащ ен и я :
KiB — KibiByte (1024 б ай т * 1 К бай т), MiB — M iBibyte (1024 KiB =
* 1 М байт);
SD (Single D ensity) — о д и н ар н ая плотн ость — 48 tpi (д орож ек на дю й м );
D D (D ouble D ensity) — д в о й н ая плотн ость (96 tpi);
Q D (Q uad D ensity) — учетверен ная плотность;
H D (H igh D ensity) — вы сокая п лотн ость (135 tpi);
ED (E xtended D ensity) — п о вы ш ен н ая плотность;
LS (L aser Servo) — лазер н о е п о зи ц и о н и р о в ан и е головок;
H iF D (H igh capacity Floppy D isk) — ди скеты вы сокой ем кости;
SS (Single Sided) — о д н о сто р о н н я я запись;
DS (D ouble Sided) — дв у сто р о н н яя запись.
187
3.2. Накопители на магнитных ди сках (НМД)
И нформация записывается по концентрическим дорожкам
(трекам), которые делятся на секторы. Количество дорожек и
секторов зависит от типа и формата дискеты. Сектор хранит м и­
нимальную порцию инф ормации, которая может быть записана
на диск или считана. Емкость сектора постоянна и составляет
512.байтов (рис. 3.10).
1
2
3
4
5
6
7
Рис. 3.10. Составные части носителя З'/г-Дкэймового НГМД:
/ — ключ защиты от записи; 2 — привод вращения; 3 — защитная заслонка; 4 —
пластиковая оболочка; 5 — бумажная прослойка; 6 — гибкий диск; 7 — блок
данных на диске
В начале каждого сектора находится служебная область, в
которую записываются идентификационная и адресная и нф ор­
мация. В области перед первым сектором записываются заголов­
ки дорожки и сектора. Перед остальными секторами записы ва­
ются лиш ь заголовки секторов. Область между заголовками
предназначена непосредственно для записи данных.
Стандартным интерфейсом для всех приводов в IBM РС -совместимых П К является SA-40Q (Shugart Associates). Контроллер
соединяется с накопителями 3,5" и 5,25” посредством 34-кон­
тактного кабеля (шлейфа). К одному контроллеру обычно под­
ключаются два привода (вообще интерфейс позволяет подклю ­
чить до четырех приводов).
Когда диск 3,5" вставляется в устройство, защитная металли­
ческая заслонка отодвигается, шпиндель дисковода входит в
среднее отверстие, а боковой штырек привода помещается в
прямоугольное отверстие позиционирования, расположенное
рядом. Двигатель вращает диск с частотой 300 об/м ин.
Головка перемешается ведущим винтом, который в свою
очередь управляется шаговым двигателем, и, когда винт повора­
чивается на определенный угол, головка проходит установлен­
188
Глава 3. Накопители м асси вов инф ормации (внеш ние ЗУ)
ное расстояние. Плотность записи данных на дискету ограничи­
вается точностью шагового двигателя, в частности, это означает
135 tpi для дискет 1,44 Мбайт.
Дисководы для гибких дискет (рис. 3.11) используют так на­
зываемый «трекинг разомкнутого цикла», они фактически не
ищут дорожки, но просто устанавливают головку в «правиль­
ную» позицию . В жестких дисках, наоборот, двигатели сервомо­
тора используют головки для проверки позиционирования, что
позволяет производить запись с поперечной плотностью во м но­
го сотен раз выше, чем это возможно на гибком диске.
6
Рис. 3.11. Дисководы НГМД:
а — встроенный ( З '/ г дю йма); б — внешний с интерфейсом USB
Блок магнитных головок содержит универсальную головку в
центре и стирающие головки с обеих сторон. Стирающие голов­
ки готовят дорожку для новой записи данных, чтобы избежать
шумов от прежних записей. Биты записываются как переключе­
ния направления (инверсия) магнитного поля, интервалы инвер­
сии равны 2—4 мкс. Сигнал считывания идет в пиковый детек­
тор и обрабатывается электронными схемами, размешенными в
дисководе, чтобы произвести бинарный сигнал.
За прошедшие годы был ряд попыток увеличить вместимость
дискеты, но ни одна не имела успеха. В 1991 г. IBM предложила
стандарт на НГМД 2,88 Мбайт, использующие дорогие бариево-ферритовые диски, — E D -дискеты (Extra High Density), одна­
ко это решение не получило распространения. В 1993 г. Iomega
и ЗМ предложили «флоптический» диск емкостью 21 Мбайт; од­
нако этого не было достаточно, чтобы привлечь интерес потре­
бителей и изделие исчезло с рынка — оно было чрезмерно доро­
гим и имело слишком маленькую емкость.
3.2. Накопители на магнитных ди сках (НМД)
189
Заменители НГМД и НЖМД
Поскольку сегодня емкость НЖ М Д измеряется в гигабайтах,
а мультимедиа и графические файлы часто измеряются в десят­
ках мегабайт, вместимость от 100 до 150 М байт вполне достаточ­
на, чтобы носитель занял традиционную ниш у НГМ Д — переме­
щение нескольких файлов между системами, архивация или ре­
зервное копирование отдельных файлов или каталогов и
пересылка файлов почтой. В этом диапазоне предлагается ряд
дисководов для следующих поколений гибких дисков. Они все
используют гибкие магнитные носители и традиционную маг­
нитную технологию хранения.
Zip-накопители. Без сомнения, самое популярное устройство
в этой категории — дисковод Zip Iomega, впервые выпущенный
в 1995 г. Zip-накопители обладают вместимостью 94 М байт и
выпускаются как во внутренних (встроенных), так и во внешних
версиях. Внутренние модули соответствуют форм-фактору 3,5",
используют интерфейс SCSI или ATAPI, среднее время поис­
ка — 29 мс, скорость передачи данных — 1,4 Кбайт/с. Внешние
модули первоначально использовали SCSI или параллельный
порт, однако версия Zip 100 Plus, выпущенная в начале 1998 г.,
была способна к автоматическому распознаванию применяемого
интерфейса и соответствующей настройке. Весной 1999 г.
Iomega выпустила USB-версию. Эти устройства были поддержа­
ны в ОС Windows 98 и в системах Apple iMac.
Супердискеты (super-floppies). Диапазону от 200 до 300 М байт
лучше всего соответствует понятие «территория супердискет».
Вместимость таких устройств более характерна для НЖ М Д, чем
для гибкого диска. Устройства в этой группе используют магнит­
ную или магнитооптическую технологию. М агнитные носители
предлагают лучшую эффективность, но даже диск МО для вер­
сий SCSI является достаточно быстрым, чтобы позволить про­
смотр видеоклипов непосредственно с диска.
Летом 1999 г. Iomega выпустил версию диска Zip на
250 Мбайт. Подобно его предшественнику, он использует интер­
фейсы SCSI и параллельный порт; последний предлагает под­
держку скорости чтения вдвое выше скорости устройства на
100 Мбайт. Носитель Zip 250 обладает обратной совместимостью
с дисками на 100 Мбайт.
В 2001 г. Matsushita объявляет технологию FD32MB, которая
дает опцию высокоплотного форматирования обычной H D -дис­
190
Глава 3. Накопители массивов инф ормации (внеш ние ЗУ)
кеты на 1,44 Мбайт, чтобы обеспечить способность хранения до
32 М байт на диске. Технология заключается в увеличении плот­
ности записи каждой дорожки на H D -дискете, используя супердисковую магнитную головку для чтения и обычную магнитную
головы для записи данных. В то время как на обычной дискете
размещается 80 дорожек данных, имеющих форму окружности, в
FD32M B это число увеличивается до 777. В то же самое время
подача дорожки от 187,5 мкм для дискеты H D уменьшается при­
мерно до 18,8 мкм.
Сменные жесткие диски. Следующий интервал вместимости
(от 500 М байт до 1 Гбайт) достаточен для резервного копирования
или архивации дискового раздела (партиции) разумно большого
размера. Большинство таких устройств также предлагает доста­
точно хорошую эффективность, чтобы ф ункционировать как вто­
ричный, или медленный, жесткий диск. Здесь по-прежнему пре­
обладают магнитные и М О-технологии, но в этой категории они
наталкиваются на конкуренцию множества устройств, исполь­
зующих изменения фазового состояния записывающего слоя.
В диапазоне свыше 1 Гбайт технология сменных дисков за­
имствуется от обычных НЖ М Д. Вышедший в середине 1996 г.
дисковод Iomega Jaz (сменный жесткий диск на 1 Гбайт) был
воспринят, как инновационное изделие. Когда Jaz появился на
рынке, сразу стало ясно, где следует его использовать — пользо­
ватели смогли создавать аудио- и видеопрезентации и транспор­
тировать их между маш инами. Кроме того, такие презентации
могли быть запущены непосредственно с носителя Jaz, без необ­
ходимости переписать данны е на НЖ МД.
Jaz не очень отличается от жесткого диска, за исключением
того, что пара дисков помещ ена в картридж, защ ищ енный пыле­
непроницаемой крышкой, которая открывается при загрузке кар­
триджа в дисковод, чтобы обеспечить доступ типовых винчестер­
ских головок чтения/записи. Д иск имеет приемлемую стоимость,
предлагает время поиска 12 мс, а скорость передачи данных
5,4 М байт/с, и может использовать интерфейсы SCSI-2 или IDE.
Конкурирующая технология, — 1,5 Гбайт SyJet, — была
предложена SyQuest летом 1997 г. Скорость передачи была боль­
ше, чем у Jaz — 6,9 М байт/с. Выпускались как внешние версии с
интерфейсом параллельного порта и SCSI, так и внутренние
версии для IDE. Однако, несмотря на большую вместимость и
улучшенную эффективность, SyJet был не в состоянии достиг­
нуть того же самого уровня успеха, как Jaz.
'
3.2. Накопители на магнитных дисках (НМД)
191
Весной 1998 г. появилось устройство SparQ 1 Гбайт, которое,
казалось, имело больше перспектив конкуренции с Iomega. Д и с­
ковод выпускался как во внешнем варианте (параллельный
порт), так и во внутреннем (ID E) и достиг значительного улуч­
шения эффективности вследствие использования единственного
платтера жесткого диска с высокой плотностью и скорости вра­
щения 5400 об/м ин. Этого оказалось, правда, слишком мало
(и слиш ком поздно) — 2 ноября 1998 г. SyQuest была вынуждена
приостановить торговлю и впоследствии обанкротилась. Н е­
сколько месяцев спустя в начале 1999 г. компания была куплена
ее главным соперником — Iomega.
Однако Iomega недолго занимала доминирующее положение
в секторе сменных носителей. Ф ирма Castlewood Systems, осно­
ванная в 1996 г. (интересно, что в числе ее основателей был
SyQuest), приступила в 1999 г. к выпуску сменных НЖ М Д, кото­
рые начали быстро завоевывать рынок, подобно тому, как это
было с Zip Iomega несколькими годами ранее.
Castlewood ORB — первая универсальная система памяти,
которая построена с использованием лезвиевидной магниторе­
зистивной (M R -) головки. M R -технология жесткого диска (пер­
воначально развитая IBM ) обеспечивает намного большую плот­
ность записи данных и, как ожидается, позволит увеличивать
ежегодно на 60 % поверхностную плотность записи в следующее
десятилетие.
Устройство Castle ORB использует 3,5" сменный носитель,
который является фактически идентичным используемому в
НЖ М Д. Имея вместимость 2,2 Гбайт и максимальную скорость
передачи 12,2 М байт/с, он представляет существенный шаг в
развитии сменных дисков, делая их способными к записи потока
видео- и аудиоинформации.
Другие перспективные технологии м а гн и тн ы х накопителей
данных
Внешние накопители на НЖМД. К носителям рассматривае­
мого типа можно отнести распространившиеся в последние годы
технологии размещ ения стандартных НЖ М Д в мобильный (пе­
реносимый) внешний футляр (бокс), который присоединяется к
компьютеру через внеш ний интерфейс (USB или IEEE 1394).
192
Глава 3. Накопители м асси вов инф ормации (внеш ние ЗУ)
Примером может служить бокс «3,5" Com bo External Enclosure/
USB2.0 & IEEE 1394а» - рис. 3.12.
Рис. 3.12. М обильный НЖМД во внешнем боксе:
/ — внеш ний футляр; 2 — стандартный НЖМД 3,5"; 3 — разъем и внутренний
кабель 1DE/ATA; 4 — кабель питания; 5 — схема сопряж ения; б — внешний ка­
бель IEEE 1394 («FireWire»); 7 — внеш ний кабель USB; 8 — разъем внешнего ис­
точника питания
Микродиск. В середине 1999 г. технология G M R позволила
IBM разработать микродиск (Microdrive) — миниатюрный жесткий
диск (рис. 3.13, а) весом 16 г, размерами 42,8 х 36,4 х 5 мм, исполь­
зующий одну однодюймовую пластину емкостью 170 Мбайт.
Так как привод головки имеет в 50 раз меньшую инерцию,
чем в более крупном устройстве, он может разогнаться до пол­
ной скорости за 0,5 с, и следовательно, можно останавливать
двигатель, когда к данным нет доступа.
Устройство предназначено для включения в интерфейс
Com pact Flash (CF) Type II, однако потребляет ток до 500 мА, в
связи с чем не может применяться в карманных компьютерах и
других сверхминиатюрных устройствах.
3.2. Накопители на магнитных ди сках (НМД)
193
Первоначальная емкость составляла 170 и 340 М байт при
4500 об/м ин, затем появились модели на 512 Мбайт и 1 Гбайт.
Устройству необходимо 15 мс для поиска данных, это среднем
составляет 6,7 мс времени ожидания при скорости передачи д ан ­
ных в районе 32 и 49 М бит/с.
С 1999 по 2003 г. эти устройства были известны как IBM
Microdrives, а после того, как Hitachi приобрела подразделение
IBM по НЖ М Д в 2003 г., — как Hitachi Microdrives. В 2003 г.
Hitachi выпускает устройства на 2 Гбайт и более. Если сравни­
вать микродиски с конкурирующей технологией ф лэш -памяти,
то можно сказать:
• микродиск с емкостью 4 Гбайт или более может быть от­
форматирован в таких ФС, как FAT 32 или N TFS, которые
не поддерживаются CompactFlash;
• если в феврале 2007 г. ф лэш -память оценивалась в 10 долл.
за 1 Гбайт, то цена Microdrive на 4 Гбайта равнялась 50 долл.
(12,5 долл. за 1 Гбайт).
Hitachi ожидает использовать недавние успехи в техноло­
гии PM R (см. рис. 1.16, б), чтобы достигнуть в 2007 г. емкости
20 Гбайт на однодюймовом микродиске.
«Порошок эльфов». Когда магнитные области на диске весьма
малы, им трудно сохранять магнитную ориентацию (влияние те­
плового движения атомов). Это называется «суперпарамагнитным эфф ектом (барьером)», и он проявляется, когда плотность
записи достигает 20—40 Гбайт/ дю йм2, а это недалеко от тех по­
казателей, которые были достигнуты с началом нового ты сяче­
летия.
Однако летом 2001 г. IBM объявила о новом крупном дости­
жении в технологии хранения данных, которая может продлить
срок службы обычного жесткого диска в недалеком будущем.
Ключ к решению — слой толщиной в 3 атома рутения, драго­
ценного металла, подобного платине, зажатый между двумя маг­
нитными слоями (рис. 3.13, б), что позволяет поддерживать в
смежных слоях разные направления намагниченности. Такой
слой атомов рутения получил неофициальное название «поро­
шок эльфов» («pixie dust»).
Официально же именуемое «antiferromagnetically-coupled
(AFC) media», новое многослойное покрытие, как предполагает­
ся, позволит достичь плотности в 100 Гбайт/ дю йм2.
1.1 -
1814
194
Глава 3. Накопители м ассивов информации (внеш ние ЗУ)
3 .3 . Оптические накопители данных на CD
Ком пакт-диски
К ом пакт-диск (CD) относится к внешней памяти и предна­
значен для длительного хранения программ и данных.
Стандарты CD. Первый стандарт, известный как «Красная
Книга» (Red Book) описывал аудио CD, обеспечивающих дли­
тельность звучания в 74 мин (емкость накопителя — 640 Мбайт).
Эта специф икация, в частности, определяла требования к каче­
ству записи звука и регламентировала, например, такие характе­
ристики аудио CD , как их размер, метод кодирования данных и
использование единой спиральной дорожки.
Так называемая «Желтая Книга» (Yellow Book) — первая спе­
циф икация цифровых компакт-дисков, которая послужила ос­
новой для создания компакт-дисков, способных хранить не
только звуковые, но также текстовые и графические данные
(CD-Digital Audio — C D -D A ). При этом привод, считывая заго­
ловок диска, должен сам определять его тип (аудио- или циф ро­
вые данны е). Этот стандарт не регламентировал логические и
файловые форматы компакт-дисков, поскольку решение этих
вопросов было отдано на откуп фирмам-производителям.
И м енно поэтому вторым стандартом де-ф акто для цифровых
компакт-дисков стала специф икация HSG (High Sierra Group),
или просто High Sierra. Этот документ носил рекомендательный
характер и был предложен основными производителями циф ро­
вых компакт-дисков с целью обеспечить хотя бы некоторую со­
вместимость. Данная специф икация определяла уже как логиче­
ский, так и файловый форматы компакт-дисков.
Вначале компакт-диски использовались исключительно в вы­
сококачественной звуковоспроизводящей аппаратуре, заменяя
устаревшие виниловые пластинки и магнитофонные кассеты.
Однако вскоре лазерные диски стали использоваться и на персо­
нальных компьютерах, под названием C D -R O M (Compact Disk —
Read Only Memory, или «компакт-диск — память только для чте­
ния»).
П риняты й несколько позже меж дународный стандарт
ISO 9660 для цифровых компакт-дисков в принципе совпадал с
основными положениями H SG. Компакт-диски, соответствую­
щие требованиям стандарта ISO 9660, который определяет их
3.3. Оптические накопители данны х на СО
195
логический и файловый форматы, являются совместимыми друг
с другом.
Физическая структура компакт-диска. Компакт-диск состо­
ит из нескольких слоев, соединенных в круглую тонкую пласти­
ну. Диаметр подавляющего большинства компакт-дисков состав­
ляет 120 мм (5") и такой диск содержит 640—700 Мбайт инф ор­
мации.
C D -R O M , созданный промышленным способом, состоит из
трех слоев (рис. 3.14, а). Основа диска, созданная из прозрачно­
го поликарбоната, занимает основной объем диска. При изго­
товлении основы методом штамповки или литья под давлением
на нее наносится информационный узор, в результате чего полу­
чается прозрачная пластиковая пластина, гладкая с одной сторо­
ны, а с другой — содержащая множество микроскопических
в п а д и н (называемых иногда п и т а м и , от англ. pit — углубле­
ние), глубина которых отсчитывается от п о в е р х н о с т и (land).
Далее на основу наносится отражающий металлический слой
(чаще всего алюминий, хотя могут использоваться и другие м е­
таллы или сплавы), а затем — защитное покрытие из тонкой
пленки поликарбоната или специального лака, на котором часто
размещается полиграфия — различные рисунки и надписи.
а
6
Рис. 3.14. Структура компакт-диска (о); микрофотография поверхности C D (б)
После создания всех слоев диск готов к использованию. И н ­
ф ормация считывается с рабочей стороны диска через прозрач­
ную основу. Ш тампованный информационный узор и отражаю­
щий слой отражают луч считывающего лазера по-разному в раз­
ных участках.
и*
196
Глава 3. Накопители массивов инф ормации (внеш ние ЗУ)
Изготовление штампов для CD
Премастеринг. Термин «премастеринг» относится ко всем
шагам первой стадии изготовления диска. Сначала осуществля­
ется кодирование на уровне ISO (логическое), включающее под­
готовку данных, индексирование, тестирование и создание об­
раза диска. Затем осуществляется кодирование на уровне CD
(физическое), что включает внедрение в данные образа диска
ряда служебных данных — добавляются адреса секторов, синхро­
низация, обнаружение и коррекция ош ибок, и другие требуемые
байты, что образует в конце концов файл, описывающий том
CD в формате ISO 9660 («premastered file», «premastered source»).
Мастеринг. Поскольку стеклянная болванка (пластина около
10" диаметра и 6 мм толщ ины — «glass master»), на которой ф ор­
мируется матрица для печати CD, используется многократно,
первым шагом технологического процесса является смывка фоторезистивного материала, оставшегося от прошлого раза. Затем
очистка, промывка деионизированной водой, и нанесение нового
жидкого слоя фоторезиста и просушивание. После этого диск п о ­
мещается в лазерное пишущее устройство (Laser Beam Recorder,
LBR), соединенное с П К. Для записи (мастеринга) используется
голубой или фиолетовый лазер, луч которого модулируется так,
чтобы экспонировать фоторезист в точках, где должны быть рас­
положены углубления (питы, pits); запись происходит с постоян­
ной линейной скоростью. Питы должны удовлетворять геометри­
ческим требования, специфицированным в «Красной книге»
(Red Book) — рис. 3.14, б. После записи болванка помещается в
раствор N aO H , смывающий засвеченные участки фоторезиста.
Стеклянная поверхность не подвергается изменениям в этом про­
цессе, а только является носителем фоторезиста.
Обработанная таким образом болванка методом вакуумного
напыления покрывается тонким слоем (около 1 молекулы толщ и­
ной) серебра, образуя металлизированную болванку («metalised
glass master»).
Затем электролизным методом на серебро наносят слой ни­
келя, который затем снимается со стекла, образуя металличе­
ский лист, именуемый «отцом» («father»). Будучи зеркальным
отображением нанесенных данных, он может уже использовать­
ся для печати CD, однако процесс на этом не заканчивается, по­
скольку необходимо множество копий такого штампа. Поэтому
«отец» используется для получения своего опять же никелевого
обратного изображения — «матери» («mother»), которое прим е­
3.3. Оптические накопители данны х на CD
197
няется для производства подобных «отцу» рабочих штампов (на­
зываемых «сын», «son»).
Перед передачей в производство штампы проходят тщ атель­
ную выбраковку на предмет точности расположения централь­
ного отверстия, наличия продольных и поперечных биений при
вращ ении, на устройстве под названием «stamper player».
Рабочий штамп («stamper») используется для нанесения ин ­
ф ормационного узора на поверхность полимерной основы CD ,
которая затем покрывается отражающим алюминиевым и защ ит­
ным акриловым слоями.
Н акопитель на ком пакт-диске (CD-ROM)
Считывание информации с компакт-диска так же, как и за­
пись, происходит с помощью лазерного луча, но, разумеется,
меньшей мощности. Сервомотор по команде от внутреннего
микропроцессора привода перемещает отражающее зеркало или
призму. Это позволяет точно позиционировать лазерный луч на
конкретную дорожку.
Традиционная технология. Лазер излучает когерентный свет,
состоящ ий из синхронизированных волн одинаковой длины
(рис. 3.15, а). Луч, попадая на отражающую свет поверхность,
через расщепляющую призму отклоняется на фотодетектор, к о ­
торый интерпретирует это как «1», а попадая во впадину, рас­
сеивается и поглощается — фотодетектор фиксирует «О».
В отличие от винчестеров, дорожки которых представляют
концентрические окружности, компакт-диск содержит одну ф и ­
зическую дорожку в форме непрерывной спирали, идущей от
наружной стороны диска к внутренней. Тем не менее одна ф и ­
зическая дорожка может быть разбита на несколько логиче­
ских — каждый ее виток (360-градусный фрагмент) рассматрива­
ется как отдельный трек по аналогии с магнитными дисками.
В то время как магнитные диски вращаются с постоянным
числом оборотов в минуту, т. е. с неизменной угловой скоростью
(Constant Angular Velocity — CAV), компакт-диск вращается
обычно с переменной угловой скоростью, чтобы обеспечить по­
стоянную линейную скорость при чтении (Constant Linear
Velocity — CLV). Таким образом, чтение внутренних треков осу­
ществляется с увеличенным, а наружных — с уменьшенным чис­
лом оборотов. И м енно этим обусловливается более низкая ско-
198
Глава 3. Накопители м асси вов инф ормации (внеш ние ЗУ)
Пииая объектива
Линза
коллиматора
Массив
фотодиодов
Расщеп­
ление
лучей
Линза
Дифракционная
решетка
Лазер
а
б
Рис. 3.15. Считывание информации с диска:
а — обычная технология; б — технология ТшеХ
рость доступа к данным для компакт-дисков по сравнению с
винчестерами. Для C D применяется более сложная система ко­
дирования информации: каждый байт представлен 14-разряд­
ным кодом, выявляющим и исправляющим ошибки.
Технология TrueX (Kenwood Technologies). Данный метод по­
зволяет увеличить скорость передачи данных с диска за счет рас­
параллеливания считывания. Излучение обычного лазерного
диода пропускается через дифракционную решетку, которая рас­
щепляет его на семь отдельных лучей, расположенных так, что­
бы сканировать 7 дорожек C D , центральная из которых является
текущей, а остальные, прочитанные в буфер, обеспечивают воз­
можность как повышения скорости обмена, так и улучшения на­
дежности (рис. 3.15, б).
М еханизм привода не имеет существенных отличий от тра­
диционного. Kenwood Technologies выпустила первый C D -R O M
дисковод ТгиеХ со скоростью 40х в августе 1998 г. и через 6 ме­
сяцев достигла скорости 52х.
3.3. Оптические накопители данны х на CD
199
Дисковод TrueX обеспечивает скорость передачи от 6750 до
7800 К Б ай т/с (или 45х — 52х) на всей поверхности диска, в то
время как обычный дисковод 48х-шах — на внутренних дорож ­
ках работает со скоростью 19х, достигая скорости 48х на внеш ­
них дорожках (если, конечно, диск заполнен).
Записываемые форматы CD
CD-R. Тип оптического диска для одноразовой записи (Write
O nce/R ead Many storage — WORM) был известен с конца
1980-х гг. При записи данных на WORM физические отметки
(марки) делаются на поверхности носителя маломощным лазе­
ром и так как эти марки не могут быть стерты, запись осуществ­
ляется только однажды.
Характеристики записываемого компакт-диска были опреде­
лены в стандарте Orange Book II («Оранжевая Книга, часть II») в
1990 г., и первой на ры нок с изделием C D -R в середине 1993 г.
вышла компания Philips. Здесь использовалась та же технология,
что и в WORM — изменение степени отражающей способности
органического окрашиваю щего слоя, играющего роль отражаю­
щего алюминиевого слоя в обычных C D -R O M . В первых версиях
C D -R использовался окрашиваю щий слой из цианинов (cyanine)
или их нейтральных к контакту с металлами производных.
В дальнейш ем стали применять ф талоцианины (phtalocyanine),
которые, как оказалось, менее подвержены деградации от воз­
действия видимого света или ультрафиолета.
Красящ ий слой из азосоединений1 (азокрасителей), которые
ранее использовались в других оптических носителях записи, те­
перь также используется в CD -R . Эти красители являются орга­
ническими фоточувствительными составами, подобными тем,
что распространены в обычных фотоработах (азотнокислое се­
ребро, диазосоединения и пр.).
Изготовители C D -R используют эти различные красители,
комбинируя их, варьируя толщину окрашиваю щих и отражаю­
щих слоев и т. д. для получения широкого диапазона таких ха­
рактеристик, как долговечность, скорость записи и мощ ность
1 А зо с о е д и н е н и я — к л а с с о р г а н и ч е с к и х с о е д и н е н и й , с о д е р ж а щ и х
о д н у (и л и б о л ее) а з о г р у п п у — N = N — . О н и о к р а ш е н ы и м н о г и е из
н и х и с п о л ь зу ю т к а к к р а с и т е л и (а з о к р а с и т е л и и ли azo dye).
200
Глава 3. Накопители массивов информации (внеш ние ЗУ)
лазера, используемого при записи. Для устранения недостатков,
присущих алюминиевому отражающему слою обычных CD, ис­
пользуют отражающие слои из сплавов серебра или золота.
М ногочисленные исследования, выполненные промыш лен­
ностью, декларируют долговечность носителей от 70 до 200 лет.
Для практических целей, однако, считается, что этот срок нахо­
дится между 5 и 10 годами.
Цвет диска C D -R определяется цветом красителей, которые
используются в записывающем слое. Этот цвет меняется, если в
отражающий слой добавлено золото или серебро. Эти сочетания
(отражающий и красящий слои) дают эфф ект зеленой, синей или
золотистой окраски. Н апример, «золотисто-зеленые» диски ис­
пользуют отражающий слой из золота в сочетании с цианиновым
красителем, что вызывает золотистый отблеск на стороне основы
и зеленый — на стороне записи-чтения (такие диски выпускает,
например, Taiyo Yuden). Mitsui Toatsu Chemicals выпускает «зо­
лотисто-золотые» диски. «Серебристо-синие» C D -R , изготовлен­
ные по технологии, запатентованной Verbatim (M etall-Azo), стали
выпускаться с 1996 г. «Серебристо-серебряные» («платиновые»)
диски Ricoh, основанные на «модифицированном цианиновом
красителе», появились на рынке в середине 1998 г.
На записываемом диске имеется спиральное углубление (ве­
дущая дорожка), отш тампованное при его изготовлении, на ко­
торое в дальнейш ем заносятся данные. При записи пишущая л а­
зерная головка следует вдоль этой дорожки и в результате диск
получает такие же характеристики, что и обычный ком ­
пакт-диск — ш ирина дорожки 0,6 мкм и подача (шаг) дорожки —
1,6 мкм. Запись начинается от внутренней части диска, и на пол­
ном диске спиральная фонограмма делает 22 188 оборотов или
примерно 600 оборотов на 1 мм (рис. 3.16, а).
Защитный слой
Защ итный с л о й -------------О траж аю щ ий слой
Записывающ ий слой —
Предварительно нанесенное
углубление
Поликарбонатная
основа диска
Слои
диэлектрика
Предварительно нанесенное
углубление
Поликарбонатная
основа диска
а
б
Рис. 3.16. Структура оптических дисков, допускающих запись:
a - C D -R ; б - CD -RW
3.3. Оптические накопители данны х на CD
201
Если обычный C D -R O M изготовляется путем механической
штамповки углублений (марок, «питов»), при записи C D -R ис­
пользуется лазер, «выжигающий» метки в органическом красите­
ле. Будучи нагретой до критической температуры, «выжженная»
область становится непрозрачной (или поглощающей) и при
считывании отражает меньшее количество света, чем смежные
участки, которые не были нагреты лазером. Эта технология под­
ражает способу, которым инф ормация считывается с обычного
CD , когда свет полностью отражается от поверхности («land»),
но рассеивается углублением («pit»).
В отличие от технологии W ORM, диски C D -R не позволяют
стирать ранее записанные данные, однако они позволяют после­
довательно добавлять их за несколько сеансов (или сессий) в
свободные области диска. Проблема заключается в том, что та­
кие м у л ь т и с е с с и о н н ы е д и с к и могут быть не считаны
полностью на более ранних версиях устройств, компьютеров или
при использовании устаревших операционных систем.
Изготовители устройств записи C D -R в середине 1990-х гг.
начали быстро повышать их характеристики с одновременным
удешевлением. В 1998 г. типичными характеристиками были —
«четырехскоростная»1 скорость записи и «двенадцатискорост­
ная» скорость считывания (что обозначается как «4х/12х»).
К концу 1990-х гг. стоимость дисков C D -R упала достаточно
для того, чтобы они стали основным средством резервного ко­
пирования и обмена данны м и между пользователями.
Первоначально C D -R выпускались в форматах 63- или
74-мин, чему соответствовали емкости в 550 или 650 М байт, в
дальнейш ем появляются диски емкостью 700 Мбайт. Ф ормат
C D -R не был свободен от проблем совместимости. В отличие от
обычных компакт-дисков, отражающая поверхность C D -R рас­
считана так, чтобы точно соответствовать свету лазера обычного
плейера CD -R O M (780 нм). Если поместить такой диск в диско­
вод первого поколения (лазер с длиной волны в 650 нм), то нет
никаких гарантий точного считывания информации. В после­
дующем были разработаны лазерные головки с изменяемой
(двойной) длиной волны, и эта проблема была решена.
Однако основной недостаток C D -R заключался в невозмож­
ности стирания и повторной записи. Оставляя диск «открытым»
1 « Е д и н и ч н ы м » (о д н о с к о р о с т н ы м ,
а у д и о C D , р а в н ы й 176,4 К б а й т /с .
1х)
считается
поток
данны х
202
Глава 3. Накопители м асси вов инф ормации (внешние ЗУ)
после сеанса записи, можно было дописывать информацию в
дальнейшем, не имея полной уверенности, что она будет обяза­
тельно воспроизведена на разных плейерах, компьютерах и при
использовании различных ОС. Поэтому после многомесячных
изысканий Philips и Sony объявили следующий стандарт ком ­
пакт-диска — п е р е з а п и с ы в а е м ы й CD (rewritable CD , или
CD-RW ).
CD-RW. В середине 1997 г. был предложен стандарт CD -R W
(известный как Orange Book III), который позволяет пользовате­
лю делать запись по старым данны м или удалять отдельные ф ай­
лы. С пециф икации CD -R W гарантируют совместимость в преде­
лах семейства устройств считывания компакт-диска так же, как
и совместимость с CD -R O M .
Технология CD -RW — изменение оптического состояния
(фазы) вещества — сама по себе далеко не новость. Заметим, од­
нако, что технологии C D -R W не требуют воздействия магнит­
ных полей (как это используется в магнитооптических накопи­
телях). Накопитель CD -R W отличается от дисков C D -R , и их
структура в своей основе сходна с дисками C D -R (поликарбонатная основа с выплавленной ведущей спиральной дорожкой),
но с существенными различиями в подробностях — записываю­
щий слой размещен между слоями диэлектрика, которые отво­
дят от него избыточное тепло в процессе записи (рис. 3.16, б).
В качестве среды записи C D -R W обычно использует про­
зрачный состав, составленный из соединений серебра, индия,
сурьмы и теллура. В процессе записи сфокусированный лазер­
ный луч выборочно нагревает области материала выше темпера­
туры плавления (500—700 °С), и после достаточно быстрого ох­
лаждения вещество переходит в так называемое а м о р ф н о е
с о с т о я н и е , формируя область непрозрачности.
При стирании слой нагревается до температуры, которая
ниже, чем точка плавления, но выше, чем температура кристал­
лизации (200 °С) в течение достаточного времени (по крайней
мере, дольше, чем минимальное время кристаллизации), и ато­
мы возвращаются назад к упорядоченному (прозрачному) со­
стоянию.
Чтобы получить эти эфф екты в записываю щем слое, пиш у­
щий лазер устройства C D -R W использует три уровня мощности:
• высокую, так называемую «мощность записи», создает не­
прозрачные (поглощающие) участки в слое записи;
3.3. Оптические накопители данны х на CD
203
• среднюю («мощность стирания»), которая расплавляет уча­
сток записывающего слоя и преобразует его к отражающе­
му (прозрачному) состоянию;
• низкую («мощность считывания»), которая не изменяет со­
стояние чувствительного слоя и может использоваться,
чтобы считывать данные.
Прозрачные области позволяют металлизированному слою
отражать свет, в то время как непрозрачные его поглощают. Воз­
никает проблема, состоящая в том, что диск отражает меньше
света, чем C D -R O M или C D -R и, следовательно диски C D -R W
могут считываться только на устройствах, которые поддержива­
ют новую спецификацию Multiread (Мультичтение).
В середине 1998 г. устройства были способны к чтению со
скоростями 6х, а к записи — 4х, как на C D -R , так и CD -RW .
К концу 2000 г. лучшие дисководы обеспечивали запись на
C D -R W /C D -R и чтение C D -R O M со скоростями 10х/12х/32х
соответственно. Ш есть месяцев спустя эти характеристики дос­
тигли значений 10х/24х/40х.
Емкость дисков. C D -R содержит предварительно нанесенную
спиральную дорожку, разбитую на блоки, причем адрес каждого
блока закодирован непосредственно на носителе. Вместимость
наиболее широко распространенного формата компакт-диска
может быть выражена либо как 74 мин либо 650 Мбайт. Каждая
секунда времени воспроизведения занимает 75 блоков, следова­
тельно полный ком пакт-диск имеет вместимость 74 x 60 x 75 =
= 333 000 блоков. Ф актическая вместимость этих 333 тыс. блоков
зависит от того, что именно записано на диске — аудио или д ан ­
ные. Это связано с тем, что аудио предъявляет меньше требова­
ний к безошибочности записи и поэтому в этом случае в каждый
блок записывается меньшее количество контрольной, избыточ­
ной информации. В результате вместимость блока для аудио со­
ставляет 2353 байт (2048 для данных). Следовательно, 74-минут­
ный диск имеет вместимость 783 216 000 байт (746 Мбайт) для
аудио, но только 681 984 000 байт (650 М байт) для данных.
Стандарт «Красная книга» для аудио CD определяет вмести­
мость диска как звучание в течение 74 мин плюс область молча­
ния «lead-out» (порядка 90 с, указывает на конец диска).
В конце 1990-х гг. начали появляться носители C D -R с
большей вместимостью, чем тот 74-минутный максимум, кото­
рый разрешали стандарты аудио компакт-дисков («Красная
204
Глава 3. Накопители м ассивов инф ормации (внеш ние ЗУ)
Книга») или стандарты C D -R O M («Желтая Книга»). Эти техно­
логии получили общее название «CD overbuming».
Overburning (oversizing) — переполнение диска, заключаю­
щееся в записи дополнительного объема данных или аудио в об­
ласть, зарезервированную для «lead-out» и даже больше. Объем
переполнения зависит от типа дисковода, используемых про­
грамм и C D -носителя.
Дополнительная вместимость была достигнута путем сокра­
щения шага дорожки, уменьш ения допусков на скорость скани­
рования, уменьш ения вероятности ошибки при записи-чтении
(при этом возникают проблемы совместимости с более ранними
устройствами или старыми записями на CD).
Первый из этих форматов повыш енной вместимости обеспе­
чивал время считывания 80 мин и вмещал 360 тыс. блоков вме­
сто обычных 333 тыс. В терминах количества данных это означа­
ло 703 М байт по сравнению с 650 М байт стандартного ком ­
пакт-диска. В начале нового тысячелетия появляются еще более
высокие вместимости в форме 90 и 99-минутных форматов (при­
близительно 791 и 870 М байт соответственно). Следует отметить,
что, так как временные отметки на компакт-диске кодируются
парой десятичных цифр, невозможно, чтобы вместимость диска
превышала 99 мин.
Overburning требует поддержки режима Disc-At-Once при за­
писи и чтобы пишущий C D -плейер игнорировал информацию
о свободном месте, находящуюся на диске без записи (ATIP),
а вместо этого использовал данные, передаваемые из пишущей
программы.
Кроме того, скорость записи является критическим ф акто­
ром при записи данных на удаленном крае компакт-диска и
большинство пишущих устройств, способных к переполнению
диска, могут сделать такую запись только на малой скорости.
Поскольку, однако, ком пакт-диски, произведенные с пере­
полнением, по определению нестандартны, то нет никакой га­
рантии, что они будут воспроизведены всеми накопителями CD
или плейерами. Кроме того, пользователи должны отдавать себе
отчет, что такие эксперименты могут окончиться повреждением
как диска, так и самого C D -накопителя.
Преодоление буферной недостаточности. К концу 1999 г. ха­
рактеристики удвоились до «8х/24х», однако возникла проблема,
известная как б у ф е р н а я н е д о с т а т о ч н о с т ь (или опусто­
шение буфера записи), когда быстродействие маш ины и накопи­
3.3. Оптические накопители данны х на CD
205
теля на МД стали отставать от скорости устройств C D -R (уст­
ройство готово к записи на диск, но информация в буфере зап и ­
си уже исчерпана и «нечего писать» — в результате диск
оказывается испорченным). Для избежания подобных эфф ектов,
во-первых, стали использовать кэш -пам ять, размещенную на
пишущем C D -плейере (размером от 256 Кбайт до 2 М байт),
во-вторых, устройства стали адаптироваться к скорости подачи
инф ормации, снижая или повышая скорость записи.
Технология B U R N -P roof (Buffer U ndeR uN -Proof technology),
предложенная Sanyo, заключается в постоянном контроле со­
стояния буфера данных компакт-диска так, чтобы запись была
остановлена в определенном месте, если появляется опасность
буферной недостаточности (например, когда заполнение буфера
падает ниже заданного порога), а затем возобновлена путем по­
зиционирования лазерной головки на соответствующий сектор.
Plextor использует технологию Sanyo в комбинации с собст­
венным методом «PoweRec» (Plextor Optimised Writing Error
Reduction Control). П роцесс записи здесь периодически приоста­
навливается (с использованием технологии BU RN -Proof) для
проверки качества записи и принятия реш ения о необходимости
повысить или понизить скорость записи.
Файловые системы. Ф ормат данных ISO 9660, разработанный
М еждународной организацией по стандартизации (M O C /ISO )
в 1984 г., описывает структуры каталогов и имен файлов на дис­
ках. И м ена файлов могут содержать только прописные буквы л а­
тиницы , цифры «0» — «9» и символ подчеркивания — «_». И мена
каталога могут иметь максимальную длину восемь символов (без
расш ирения), степень вложенности каталогов не должна превы­
шать восьми.
Каждый ком пакт-диск имеет оглавление (table of contents —
TO C), которое содержит информацию о треках (фонограммах),
размещенных на диске. Оранжевая Книга решает проблемы за­
писи компакт-дисков, где при последующих сеансах записи на
диск происходит модификация ТОС.
Компакт-диски имеют диаметр 12 см и центральное отверстие
диаметром 15 мм. Аудио или компьютерные данные записываются
начиная от радиуса 25 мм (после записи lead-in) и до радиуса 58 мм
(или до записи lead-out). Стандарт «Оранжевой Книги» C D -R в це­
лом разбивает компакт-диск на две области (рис. 3.17, а):
• системная область (System Use Area — SUA);
• инф ормационная область (Inform ation Area — IA).
206
Глава 3. Накопители м асси вов инф ормации (внеш ние ЗУ)
Ю
Центральное
отверстие
Lead-in
а
Область
записи
- Свободная
)
б
область
Рис. 3.17. Схема размещ ения информации на CD (о); мини-диск (6)
В то время как IA — только пространство для размещения
данных, SUA подобна загрузочному сектору жесткого диска и
использует начальные 4 мм радиуса поверхности компакт-диска.
Здесь записывается информация для считывающего устройства,
где указывается, какой тип и формат информации следует ожи­
дать. SUA, в свою очередь, разделяется на две части — область
калибровки мощности (Power Calibration Area — РСА) и область
записи программы (Program Memory Area — РМА).
На каждом диске РСА используется как база для настройки
лазера пишущего устройства. Как только диск вставляется в на­
копитель C D -R , луч лазера направляется на поверхность РСА,
чтобы оценить оптимальную установку мощности для прожига
компакт-диска. На калибровку влияют такие факторы, как ско­
рость записи, влажность и температура окружающей среды, тип
используемого диска. На диске разрешается максимум 99 ка­
либровок, поскольку каждая из них разрушает участок поверх­
ности РСА.
В области РМА находятся данные, содержащие описания
до 99 треков (фонограмм) — времена их начала и остановки (для
музыки) или адреса начальных секторов файлов данных (на ком ­
пакт-диске для данных).
И нф ормационная область в свою очередь включает три уча­
стка:
• область lead-in — содержит нулевые биты («цифровую ти ­
шину») в главном канале плюс оглавление (VTOC) в под­
3.3. Оптические накопители данны х на CD
207
канале «Q». Длина lead-in определяется необходимостью
разместить оглавление тома (VTOC), содержащее до 99 тре­
ков (фонограмм);
• область программы содержит приблизительно до 76 мин
данных, разделенных максимум на 99 дорожек (фоно“ грамм). В то время как на обычных носителях восемь битов
образуют байт, последовательность которых в свою очередь
формирует блоки данных, на компакт-диске каждый байт
(8 бит) кодируется как 14 бит плюс 3 присоединенных бита
по алгоритму, именуемому «модуляция восемь к четырна­
дцати» (Eight То Fourteen M odulation — EFM ).
Мини-диски (Mini media). М ини-диски C D -R и C D -R W диа­
метром 8 см и вместимостью 185 М байт были известны уже в те­
чение многих лет. Большинство C D -плейеров с автоматической
подачей дисков (например, автомобильные проигрыватели) при­
способлено и для этого формата. Только П К с вертикальным
расположением C D -R O M -накопителя не способны обработать
этот формат.
М ини-диск также реализован в так называемом «формате
визитной карточки» (см. рис. 3.17, б). Это обычные носители
C D -R , по форме напоминаю щ ие визитные карточки (для это­
го либо срезают две стороны диска, либо все четыре, чтобы
получить действительно прямоугольную форму). Их вм ести­
мость изменяется от 20 до 60 М байт в зависимости от того,
какая часть первоначального диска была срезана. И ногда на­
зываем ы й «персональным компакт-диском» (Personal Com pact
Disk — PC D ), этот носитель может также использоваться как
ключ для безопасного доступа к сети или услугам электронной
коммерции.
UDF. Стандарт ISO 9660, используемый C D -R O M и дисками
C D -R , создает неудобства при добавлении данных на диски не­
большими порциями. Запись многократных сеансов на диск
приводит к потерям приблизительно 13 М байт дискового про­
странства на каждом сеансе, и первоначальный стандарт ограни­
чивает числом 99 количество треков (фонограмм), которые мо­
гут быть записаны на диск. Эти ограничения были сняты в стан­
дарте ISO 13346 «Универсальный Дисковый Формат» (Universal
Disc Format — U D F), разработанный Ассоциацией технологий
оптических ЗУ (Optical Storage Technology Association — OSTA).
Этот стандарт не зависит от типа операционных систем, предна­
значен для записи данных на оптических носителях, включая
208
Глава 3. Накопители массивов инф ормации (внеш ние ЗУ)
C D -R , C D -R W и устройства DVD, и использует переработанную
структуру каталога, которая позволяет устройству эффективно
записывать файл (или «пакет») за один раз.
Режим пакетной записи не полностью совместим с логиче­
ской ф айловой системой ISO 9660, так как при этом следует точ­
но знать, какие файлы будут записаны в течение сеанса, чтобы
заполнить служебные таблицы Ф С (Path Tables и Primary Volume
Descriptors), которые указывают на физическое размещение ф ай ­
лов на диске.
U D F позволяет добавлять файлы на диски C D -R или
CD -R W порциями по одному файлу, без существенного пере­
полнения служебной инф ормацией, используя методику, на­
званную «пакетной записью» (packet writing). В U D F, даже если
файл перезаписан, его виртуальная адресация остается без изме­
нений. В конце каждого сеанса записи пакета U D F заносит на
диск «Виртуальную таблицу размещения» (Virtual Allocation
Table — VAT), которая описывает физическое местоположение
каждого файла. Каждая вновь созданная VAT, включает данные
из предыдущей VAT, позволяя таким образом U D F определить
местонахождения всех файлов, которые когда-либо были записа­
ны на диск.
К середине 1998 г. были выпущены две версии U D F —
U D F 1.02 (версия, используемая на DVD-ROM и видео DVD)
и U D F 1.5 (добавляет поддержку C D -R и CD -R W ). Windows 98
обеспечивала поддержку U D F 1.02. Однако в отсутствие поддерж­
ки операционной системы U D F 1.5 требовалось специальное
U D F -программное обеспечение для дисковода, поддерживающее
пакетную запись на C D -R и CD-RW .
П ервым образцом такого программного обеспечения являлся
DirectCD V2.0 (разработка Adaptec), который поддерживал как
пакетную запись, так и произвольное удаление файлов с носите­
ля CD -RW . DirectCD V2.0 обеспечивал запись двух видов паке­
тов — ф иксированной и переменной длин. Пакеты ф иксирован­
ной длины являются более подходящими для CD-RW , чтобы
обеспечивать произвольное удаление файлов.
U D F 1.5 является далеко не идеальным решением. Кроме
трудностей, вызванных недостатком поддержки операционных
систем, есть и другие. Основной недостаток состоит в том, что
пакеты ф иксированной длины (32 Кбайта согласно U D F-стан­
дарту) занимаю т много лиш него места на диске. Полезная вме­
стимость диска CD-RW , отформатированного так, чтобы произ-
3.3. Оптические накопители данны х на CD
209
водить запись в пакетах ф иксированной длины, уменьшается
приблизительно до 550 Мбайт. Практически, однако, вм ести­
мость U D F -отформатированного диска сокращается и дальше
как последствие встроенных особенностей DirectCD, которые
призваны увеличить долговечность носителя CD-RW .
Любая конкретная точка на диске C D -R W может быть под­
вергнута воздействию при перезаписи приблизительно 1000 раз
(в будущем, возможно, и до 10 000 раз), после чего становится
непригодной. Однако D irectCD спроектирован так, чтобы избе­
жать неоднократной записи-чтения той же самой физической
точки на основе методики, названной «экономная» («sparing»).
Это значительно продлевает жизнь диска, но за счет перерасхода
пространства, что уменьшает фактическую вместимость среды
хранения. Даже если специфическая точка на диске C D -R W
действительно оказывается «пережженной», DirectCD может от­
метить ее как «непригодную» и исключить из использования
(подобно тому, как обходятся сбойные секторы на НЖ М Д).
В дополнение к этим проблемам уменьшения вместимости,
оказывается, что не любые устройства C D -R или C D -R W под­
держивают режим пакета, а только устройства «Мультичтения»
(M ultiRead C D -R O M -накопители) или сертифицированные
OSTA как MultiRead могут считывать диски, записанные в па­
кетном режиме.
В частности, для этой цели можно воспользоваться про­
граммным продуктом Adaptec U D F Reader, который является
дополнением DirectCD и позволяет многим M ultiR ead-накопи­
телям считывать диски, записанные в формате U D F 1.5.
Спецификация «Мультичтение» (MultiRead). Записанные на
диске C D -R W дорожки (фонограммы) считываются тем же са­
мым способом, как и дорожки обычного компакт-диска — путем
обнаружения переходов между низким и высоким коэф ф ициен­
тами отражения и измерения промежутков между переходами.
Единственное существенное отличие состоит в том, что коэф ф и ­
циент отражения ниже, чем для «правильных» CD , и в результа­
те этого носители C D -R W могут не считываться многими уста­
ревшими дисководами C D -R O M или C D -плейерами.
Отметим, что первоначальные спецификации для CD требо­
вали, чтобы коэф фициенты отражения для поверхности диска и
углублений составляли минимум 70 % и максимум 28 %, соот­
ветственно. Эти требования были введены, чтобы гарантировать
надежное считывание данных фотодиодами, выпускавшимися в
14 -
1814
210
Глава 3. Накопители м ассивов информации (внеш ние ЗУ)
1980-е гг. В настоящее время в связи с усовершенствованием
электроники эти требования оказываются чрезмерно завы ш ен­
ными.
Д иск C D -R W имеет поверхностный коэф ф ициент отражения
15—25 %. Поэтому система CD -R W работает в диапазоне ко эф ­
фициентов отражения, равных '/з таковых из первоначальной
спецификации компакт-диска. Однако для современных ф ото­
диодов это не представляет никакой проблемы, достаточно орга­
низовать усиление электросигнала.
Специф икация «Мультичтения» («MultiRead»), составленная
Philips и Hewlett Packard, а затем одобренная Ассоциацией тех­
нологий оптических ЗУ (Optical Storage Technology Association —
OSTA) предусматривает необходимые корректировки, решая та­
ким образом любые проблемы совместимости.
Кроме того, максимальные и минимальные уровни коэф ф и­
циентов отражения диска C D -R W соответствуют требованиям
спецификации CD для минимальной модуляции 60 %. Техноло­
гия изменения фазы для C D -R W практически не зависит от дли­
ны волны лазера записи-чтения.
Диски CD -RW могут быть считаны как лазерами, используе­
мыми в системах DVD (длина волны 650 нм), так и лазерами,
используемыми в приводах обычных CD (780 нм).
Mount Rainier. С пециф икация, предложенная группой M ount
Rainier (во главе с лидерами промыш ленности Compaq, Microsoft,
Philips Electronics и Sony), имела своей целью сделать методы ис­
пользования носителей C D -R W аналогичными НГМ Д или
НЖ М Д — в частности, осуществлять при поддержке ОС опера­
ции в манере б у к с и р о в к и д а н н ы х («drag and drop»). С пеци­
фикация M ount Rainier содержит следующие ключевые элементы:
• аппаратный контроль дефектных участков на диске. Хотя
большинство программ, осуществляющих пакетную запись
на CD -RW , использует возможности контроля дефектов,
заложенных в U D F 1.5, проблема состоит в том, что про­
граммное обеспечение должно иметь полную информацию
о дефектных участках диска. Подход, предложенный M ount
Rainier, состоит в контроле на аппаратном уровне, так что
если приложение будет пытаться произвести запись на
«плохой» сектор, этот сектор будет «скрыт», а альтернатив­
ны й предложен;
• логическая адресация записи в 2 Кбайта. В то время как
C D -R W использует размер блока 64 в Кбайт, M ount Rainier
3.4. Накопители на DVD
211
требует поддержку логической адресации 2 Кбайт, таким
образом обеспечивая «выстраивание» дисков C D -R W в
одну линию с другими системами хранения данных, кото­
рые базируются на адресуемости 4 или 2 Кбайт;
•
фоновое форматирование. M ount Rainier устраняет как вре­
менные задержки, так и необходимость использование про­
граммного обеспечения, не входящего в состав ОС или ПО
записи на диск (что обычно связано с форматированием
носителей CD -RW ). Ф орматирование теперь осуществляет­
ся в режиме фоновой, незаметной для пользователя задачи.
Спустя менее чем через год после внедрения в системах
C D -RW , Союз DVD+RW (DVD+RW Alliance) объявил о п риня­
тии окончательной спецификация M ount Rainier как стандарта
для перезаписываемого формата DVD.
3 .4 . Накопители на DVD
Универсальный цифровой диск (Digital Versatile Disc,
DVD) — вид накопителя, который, в отличие от CD, с момента
выхода на рынок был рассчитан на ш ирокое применение — как
в аудио и видеоприложениях, так и при записи данных для ПК.
Форматы
Существует пять физических форматов (или книг) DVD, ко­
торые мало чем отличаются от различных «оттенков» CD:
• DV D-RO M — среда хранения данных большой емкости,
только для чтения;
• D V D -видео — циф ровой носитель данны х для к и н о ­
фильмов;
• D V D-аудио — только для хранения звука, формат подоб­
ный C D -аудио;
• D V D -R — однократная запись, многократное чтение, ф ор­
мат, родственный C D -R ;
• DVD-RAM — перезаписываемый (стираемый) вариант DVD,
который первым появился на рынке и впоследствии нашел в
качестве конкурентов форматы DVD-RW и DVD+RW.
14”
212
Глава 3. Накопители массивов инф ормации (внеш ние ЗУ)
Имея тот же самый размер как стандартный CD (диаметр
120 мм, толщ ина 1,2 мм), диски DVD обеспечивают до 17 Гбайт
памяти со скоростью передачи выше, чем для C D -R O M , време­
нем доступа, подобным C D -R O M , и имеют четыре версии
(рис. 3.18):
• DVD-5 — односторонний однослойный диск, вместимо­
стью 4,7 Гбайт;
• DV D-9 — односторонний двухслойный диск на 8,5 Гбайт;
• D V D -10 — двухсторонний однослойный диск 9,4 Гбайт;
• D V D -18 — вместимость до 17 Гбайт на двустороннем двух­
слойном диске.
Рис. 3.18. Структура DVD различных версий:
о — DVD-5; 6 — DVD-9; в — D V D -10; г — DVD-18; / — поликарбонатиая осно­
ва; 2 — слой склеивания; 3 — лак; 4 — отражающий слой; 5 — лазерный луч
Кроме того, есть проект формата D V D -14 — два слоя на од­
ной стороне, один — с другой, который, будучи более простым в
производстве, может заменять D V D -18, пока потребность в по­
следнем не проявится в полной мере.
В дополнение к пяти физическим форматам DVD также
имеет множество прикладных (логических) форматов, например
DVD-видео, DVD-аудио и т. д.
Технология
На первый взгляд, диск DVD не отличается от CD: пласт­
массовый диск 120 мм диаметром и 1,2 мм толщ иной, оба ис­
пользуют лазеры для считывания данных, записанных во впади­
3.4. Накопители на DVD
213
нах на спиральной дорожке. Однако семикратное увеличение
DVD по вместимости сравнительно с CD было в значительной
степени достигнуто путем напряжения всех допусков систе­
мы-предш ественника (см. рис. 1.17, в, г):
• ш аг дорожки DVD уменьшен до 0,74 мкм (1,6 мкм для
"CD );
• впадины (питы) намного меньшие — минимум 0,4 мкм
(0,834 мкм для CD);
• сокращ ение длины волны лазера до 635 или 650 нм (крас­
ный свет) от 780 нм (инфракрасный свет для стандартно­
го CD).
Кроме того, DVD позволяет считывать информацию более
чем с одного слоя, изменяя фокусировку луча лазера чтения.
Вместо одного непрозрачного отражающего слоя здесь ком бина­
ция прозрачного слоя с непрозрачным позади него (рис. 3.18, б).
Хотя второй слой не может быть столь же плотен как единствен­
ный, это все же дает возможность записать на единственный
диск 8,5 Гбайт данных. Важная особенность DVD состоит в том,
что второй слой может читаться как от внутренней, так и от
внеш ней стороны диска. В CD стандартной плотности инф орм а­
ция всегда начинается от оси диска. То же самое будет справед­
ливо для однослойного DVD и первого слоя двойного диска, но
второй слой каждого диска может содержать данные, записан­
ные в обратном направлении.
Н аконец, DVD позволяет использовать двусторонние диски.
Чтобы облегчить фокусировку лазерного луча на меньших д о ­
рожках с впадинами, изготовители использовали для диска более
тонкую пластмассовую подложку, чем в CD -R O M . Это сокращ е­
ние привело к дискам, которые имеют толщину 0,6 мм, — напо­
ловину меньше C D -R O M . Однако, так как эти диски слишком
тонки, чтобы оставаться плоскими при обработке, изготовители
склеивают два диска, что привело к дискам, имеющим толщ ину
1,2 мм. Это фактически удваивает потенциальную вместимость
диска.
На DVD применяется более эффективная структура данных.
Когда CD были разработаны в конце 1970-х гг., в них были ис­
пользованы относительно простые системы исправления ош и­
бок. Более эффективный код с исправлением ошибок для DVD
оставляет больше памяти для реальных данных. Кроме того,
DVD с самого начала использовали файловые системы U D F.
214
Глава 3. Накопители массивов информации (внеш ние ЗУ)
Проблемы совместимости
Несовместимость с некоторыми дисководами C D -R и
CD -R W была давней проблемой. Заготовки дисков, используе­
мые в некоторых из этих устройств, не могут отражать должным
образом лазерный луч, используемый в устройствах чтения
D V D -RO M , что и делает их «нечитабельными». Для носителей
CD -R W эта проблема была решена стандартом «Мультичтения»
и путем комплектования устройства DV D-RO M лазерами с дву­
мя различными длинами волны. Однако заставить дисководы
D V D-RO M надежно читать все носители C D -R составляет на­
много большую проблему. Л азер устройства чтения DVD нена­
дежно считывает C D -R в связи с понижением отражающей спо­
собности поверхности при длине волны 650 нм, в то время как
при 780 нм она почти такая, как для CD -R O M .
Скорость также была проблемой для первых дисководов
DV D-RO M . К середине 1997 г. дисководы C D -R O M использова­
ли постоянную угловую скорость, чтобы добиться более высоких
скоростей чтения и более низкой вибрации. Однако ранние уст­
ройства DVD-ROM использовали постоянную линейную ско­
рость. Это не было проблемой для DVD, поскольку их высокая
плотность позволяет работать при более медленных скоростях
вращения. Однако, поскольку постоянная линейная скорость
также использовалась для того, чтобы читать диски C D -R O M ,
Таблица 3.10. Параметры совместимости различных оптических носителей
Тип дисковода DVD
Формат
диска DVD
DVD-плейер
DVD-R(G)
DVD-R(A)
DVD-RAM
DVD-RW
DVD+RW
R
W
R
W
R
W
R
W
R
W
R
W
DVD-ROM
Да
Нет
Да
Нет
Да
Нет
Да
Нет
Да
Нет
Да
Нет
DVD-R(G)
Да
Нет
Да
Да
Да
Нет
Да
Нет
Да
Да
Да
Нет
DVD-R(A)
Да
Нет
Да
Нет
Да
Да
Да
Нет
Да
Нет
Да
Нет
DVD-RAM
Нет
Нет
Нет
Нет
Нет
Нет
Да
Да
Нет
Нет
Нет
Нет
DVD-RW
Да
Нет
Да
Да
Да
Нет
Да
Нет
Да
Да
Да
Нет
DVD+RW
Да
Нет
Да
Да
Да
Нет
Нет
Нет
Да
Нет
Да
Да
CD-R
Нет
Нет
Нет
Нет
Нет
Нет
Да
Нет
Да
Да
Да
Да
CD-RW
Нет
Нет
Нет
Нет
Нет
Нет
Да
Нет
Да
Да
Да
Да
3.4. Накопители на DVD
215
оказалось, что эфф ективная скорость чтения CLV DV D-RO M не
могла быть больше 8х.
Таблица 3.10 содержит совокупные сведения по совместимо­
сти по чтению -записи различных форматов. «Да» означает, что
некоторые из устройств данного типа могут обработать соответ­
ствующий дисковый формат, это не гарантирует, что на это бу­
дут способны все такие устройства. «Нет» означает, что соответ­
ствующий тип дисковода может обработать формат или весьма
редко, или никогда.
DVD-ROM
Поскольку данные на C D -R O M записаны близко к верхнему
слою поверхности диска, а уровень данных для DVD — ближе к
середине (чтобы диск мог быть двусторонним), то блок оптиче­
ского чтения привода DV D-RO M должен быть более сложно
устроен, чем его аналог для C D -R O M , чтобы создавать возмож ­
ность для чтения как одного, так и другого из этих типов носи­
телей.
Одно из самых ранних решений заключалось в использова­
нии пары поворотных линз: одной — для фокусировки луча на
уровнях данных DVD, а другой — для чтения обычных ком ­
пакт-дисков. Впоследствии появились более изощренные проек­
ты, которые устраняют потребность в переключении линзы. Н а­
пример, «двойная дискретная оптическая выборка», предложен­
ная Sony, имеет отдельные лазеры, оптимизированные для CD
(длина волны 780 нм) и DVD (650 нм). Устройства Panasonic пе­
реключают лазерные лучи с помощью голографического оптиче­
ского элемента, способного к фокусировке луча в двух различ­
ных дискретных точках.
Дисководы DVD-ROM вращают диск медленнее, чем их ана­
логи для CD -R O M . Однако, так как на DVD данные упакованы
намного плотнее, его производительность оказывается выше,
чем для CD -R O M при той же скорости вращения. В то время
как обычный C D -R O M (1х или однократный) имеет максималь­
ную скорость передачи данных 170 К байт/с, DVD (1х) может пе­
редавать 1250 К байт/с, что достигается только при 8х скорости
диска CD -R O M . К концу 2001 г. достигнуты 16х и 40х скорости
для DVD-ROM и C D -R O M соответственно.
216
Глава 3. Накопители массивов информации (внеш ние ЗУ)
Не существует общ епринятой терминологии для описания
различных «поколений» дисководов DVD . Однако термин «вто­
рое поколение» (или DVD II) обычно относится к 2х скорост­
ным дисководам, также способным к чтению носителей C D -R /
CD-RW , а термин «третье поколение» (или DVD III) обычно оз­
начает дисководы 5х (или иногда 4,8х или 6х), некоторые из ко­
торых способны к чтению носителей DVD-RAM .
Форматы записываемых дисков DVD
Существуют пять версий записываемых DVD:
• D V D -R обычный;
• D V D -R авторизованный;
• DVD-RAM (перезаписываемый);
. DVD-RW ;
. DVD+RW.
Все записываемые форматы DVD включают набор специф и­
каций, которые определяют физические характеристики среды
записи. Этот уровень ф ункционирования является «физическим
уровнем среды», и возможность прочитать диск на специфиче­
ском проигрывателе или дисководе зависит от его способности
поддержать соответствующий физический уровень независимо
от того, какие данные записаны . С пециф икация самого содер­
жания подчинена множеству «прикладных уровней», которые
определены Форумом DVD. Например, типичные кинофильмы
выпускаются на тиражируемых дисках ROM (физический уро­
вень) и при этом применяется формат DV D -видео (прикладной
уровень).
DVD-R (записываемый DVD) во многом концептуально схож
с C D -R , это однократно записываемый носитель, который м о­
жет содержать любой тип информации, обычно сохраняемой на
DVD массового производства — видео, аудио, рисунки, файлы
данных, программы мультимедиа, и т. д.
Первоначально при появлении осенью 1997 г. диски DV D-R
имели вместимость 3,95 Гбайт, которая затем возросла до
4,7 Гбайт для однослойного одностороннего диска DVD-R. Так
как формат DVD поддерживает двусторонние диски, на двусто­
роннем диске DVD-R может быть сохранено до 9,4 Гбайт
(рис. 3.19). Данные могут быть написаны на DVD со скоростью
1х (11,08 М бит/с, что приблизительно эквивалентно 9х скорости
3.4. Накопители на DVD
217
C D -R O M ). После записи диски D V D -R могут читаться с теми
же скоростями, что и массово тиражируемые диски, в зависим о­
сти от «х-фактора» (кратности скорости) используемого диско­
вода D V D-RO M .
D V D -R , подобно C D -R , использует постоянную линейную
скорость (CLV), чтобы максимизировать плотность записи на
дисковой поверхности. Запись начинается на внутренней сторо­
не и заканчивается на внешней. При 1х скорость вращения из­
меняется от 1623 до 632 об/м ин для диска емкостью 3,95 Гбайт и
от 1475 до 575 об/м ин для 4,7 Гбайт в зависимости от позиции
головки записи-воспроизведения на поверхности. Для диска в
3,95 Гбайт подача дорожек составляет 0,8 мкм, или вдвое м ень­
ше, чем для CD -R . На диске в 4,7 Гбайт используется еще м ень­
шая величина — 0,74 мкм.
Таблица 3.11 иллюстрирует различия между некоторыми ос­
новны ми параметрами обоих форматов.
Таблица 3.11. Параметры форматов CD-R и DVD-R
Параметр
DVD-R
CD-R
Однократная
Однократная
Длина волны (запись), нм
635— 645
775— 795
Длина волны (чтение), нм
635— 650
770— 830
6— 12
4— 8
Числовая апертура (запись)
0,60
0,50
Числовая апертура (чтение)
0,60
0,45
Отражательная способность
Более 0,6
Более 0,65
Тип записи
Мощность записи, мВт
Запись на дисках D V D -R производится с помощью слоя ве­
щества, которое преобразуется (окрашивается) сильно сф окуси­
рованны м красным лазерны м лучом. Слой наносится на про­
зрачную основу, которая выполнена из поликарбоната методом
литья под давлением, и имеет микроскопическое спиральное уг­
лубление (дорожку), сформированную на ее поверхности. Это
углубление используется дисководом D V D -R, чтобы вести луч
записываю щего лазера, и также содержит записанную инф орм а­
цию после окончания процесса. Кроме того, во-первых, спи­
ральное углубление имеет волнистый профиль (заранее записан­
ный синусоидальный сигнал), который предназначен для си н ­
218
Глава 3. Накопители м асси вов инф ормации (внеш ние ЗУ)
хронизации двигателя шпинделя диска в течение записи, а
во-вторых, в областях поверхности между углублениями разме­
щаются «поверхностные отметки» («Land Pre-Pits», или LPP),
используемые для целей позиционирования (адресации). Далее
на записываю щ ий слой напыляют отражающий слой металла, а
затем — защ итны й слой, по которому может быть осуществлена
склейка двух сторон диска.
Две записываемые стороны могут быть соединены вместе,
как изображено на рис. 3.19, и каждая сторона должна читаться
непосредственно, путем переворачивания диска. Если создается
односторонний диск, то противоположная сторона может содер­
жать метку или некоторую другую видимую информацию.
— Спой записи
— Отражающий слой
— Склейка
'— Защитный слой
Прозрачная
основа
Рис. 3.19. Структура двустороннего диска DVD-R
Запись осуществляется лазерным лучом высокой мощности
(приблизительно 8—10 мВт). Когда окраш иваю щ ийся слой на­
грет, в спиральном углублении формируются микроскопические
отметки. Записываю щ ий слой чувствителен только к свету соот­
ветствующей длины волны, так что воздействие окружающего
света или луча лазера воспроизведения не может испортить за­
пись. Воспроизведение осуществляется лучом лазера более низ­
кой мощности и приблизительно той же самой длины волны
(635 или 650 нм).
Все диски DVD, как перезаписываемые так и нет, должны
иметь три основных области:
• начальная марка (lead-in);
• данные пользователя;
• конечная марка (lead-out).
Начальная и конечная марки фиксируют границы записи,
распознаваемые устройством воспроизведения. Процесс записи
в основном подобен используемому в CD -R . Существует два ре­
жима записи диска DVD-R — «диск сразу» (D isc-at-once) и «до­
запись» (Increm ental writing).
3.4. Накопители на DVD
219
Появление в мае 2000 г. Спецификации Форума DVD (вер­
сия 2) и последующее увеличение вместимости до 4,7 Гбайт п ри­
вело к повыш ению роли DV D -R как инструмента для того, что­
бы создавать мастер-диски (матрицы) перед массовым выпуском
программных средств, производства мультимедиа и как среды
для того, чтобы делать копии фильмов. В то же самое время ста­
ло ясны м , что для потребительского рынка был необходим дру­
гой тип носителя D V D -R, так что в итоге формат был разбит на
«DVD-R for Authoring» (Авторизованный) и «DVD-R for General»
(обычный).
Осенью 2003 г., приблизительно в то же самое время, когда
сторонник DVD+ Philips выпустил двухслойные носители
DVD+R, фирма Pioneer объявила, что разработана версия двух­
слойного формата D V D -R, который предполагается предложить
Форуму DVD как новый дисковый стандарт после дальнейшего
усовершенствования.
П ри использовании метода записи на слой, изменяю щ ий о к ­
раску, новая двухслойная технология D V D -R показывает почти
те же характеристики, что и двухслойные диски D V D -RO M ,
воспринимая 9,34 % колебания на первом записывающем слое
(L0) диска с коэф фициентом отражения, равным 17,3 %, и коле­
бания 8,08 % на втором слое (L l).c коэф фициентом отражения
19,5 %. Это означает, что можно воспроизводить двухслойные
диски D V D -R на большинстве существующих проигрывателей
DVD и легко можно разработать записываю щие устройства
DVD, использующие данную технологию.
Двухслойная технология дает возможность пользователям де­
лать запись 4-часового видео с качеством DVD или 16 ч видео с
качеством VHS без необходимости переворачивания диска.
DVD-RAM. Перезаписываемый DVD-ROM или DVD-RAM
использует технологию изменения фазового состояния, что не
является чистой оптической технологией CD и DVD, а смеш ан­
ной с некоторыми особенностями магнитооптических методов.
Применяемый формат «поверхность-углубление» (land groove)
позволяет записывать сигналы как на углублениях, сф орм иро­
ванных на диске, так и в промежутках между углублениями. Уг­
лубления и заголовки секторов формируются на поверхности
диска в процессе его отливки (рис. 3.20, а). Первое поколение
изделий DVD-RAM емкостью 2,6 Гбайт с обеих сторон диска
для многократного использования появилось в середине 1998 г.
Однако эти ранние устройства несовместимы со стандартами бо-
220
Глава 3. Накопители массивов инф ормации (внеш ние ЗУ)
Защитный слой
(метка)
Отражающий
слой
Поверхностные
отметки
Ф аэоиэме*
М °Д У ™ Р°в ан-
няющий
ные дорожки
Луч лазера
гппм
Дорожка
(углубление)
(подложка)
Луч лазера
Рис. 3.20. Структура дисков DVD-RAM (а) и DVD-RW (б)
лее высокой вместимости, которые используют контрастный
слой расш ирения и тепловой буферный слой, чтобы достигнуть
более высокой плотности записи. С пециф икация для версии 2.0
DVD-RAM вместимостью 4,7 Гбайт на одной стороне была вы ­
пущена в октябре 1999 г. Hitachi удалось достичь вместимости
4,7 Гбайт, сокращая размер записываемой лазером отметки
от 0,41—0,43 мкм до 0,28—0,30 мкм и подачи дорожки от 0,74
до 0,59 мкм.
Основное различие между DVD-RAM и ROM — в совмести­
мости. Односторонние диски DVD-RAM выпускаются в кар­
триджах или без них. Есть два типа картриджей: тип 1 — запеча­
танный; тип 2 — позволяющий извлекать диск. Размеры кар­
триджа — 124,6 х 135,5 х 8,0 мм. Диски могут записываться,
только находясь в картридже. Двусторонние диски DVD-RAM
помещаются в запечатанные картриджи и не могут считываться
более ранними дисководами DVD-ROM . Первый дисковод
D V D-RO M , способный к чтению носителя DVD-RAM , и кото­
рый иногда неофициально называют «дисководом третьего по­
коления», появился на рынке в 1999 г.
DVD-RW. DVD-RW используют технологию изменения ф а­
зового состояния вещества для чтения, записи и стирания ин­
формации (рис. 3.20, б). Луч лазера с длиной волны 650 нм на­
гревает слой чувствительного сплава, чтобы перевести его или в
кристаллическое (отражающее) состояние или аморфное (тем­
ное, нерефлексивное) в зависимости от уровня температуры и
3.4. Накопители на DVD
221
последующей скорости охлаждения. Результирующее различие
между темными метками и отражающими распознается проиг­
рывателем или дисководом.
Носители DVD-RW используют ту же физическую схему ад­
ресации, что и DVD-R. Пишущий лазер дисковода следует за
микроскопической спиральной дорожкой, выдавленной в по­
верхности диска. Стены микродорожки модулированы (как бы
колеблются из стороны в сторону) синусоидальным образом и
создают сигнал, который считывается дисководом и сравнивает­
ся с частотой генератора для обеспечения точного вращ ения
диска. Сигнал используется только в течение записи и никак не
влияет на процесс воспроизведения. М икродорожка называется
«модулированным (колеблющимся) углублением» (wobble groove)
и используется только для записываемых носителей.
На диске создается преформатированная схема адресации,
использующая поверхностные метки (LPP), чтобы идентиф ици­
ровать ф изический адрес записываемых блоков данных. Эта схе­
ма использует ряд микроскопических выступов, которые выде­
ляются в области поверхности между углублениями.
Однако, несмотря на успехи проекта, оставалось много пре­
пятствий к полной совместимости D V D-RW с существующими
проигрывателями. Например, некоторые дисководы и плейеры
принимаю т DVD-RW за двухслойный диск в связи с низкой от­
ражательной способностью носителя и безуспешно пытаются
определить местонахождение несуществующего второго слоя.
Поэтому некоторые проигрыватели D V D-RO M не способны за­
пустить диски DVD-RW . Эти проблемы могут быть решены не­
значительной модификацией встроенного программного обеспе­
чения дисковода или проигрывателя.
Одно из основных преимуществ третьего перезаписываемого
DVD-формата (DVD+RW) — это то, что он обеспечивает луч­
шую совместимость, чем любой из его конкурентов.
DVD+RW. Летом 1997 г. Sony и Philips вместе с Hewlett
Packard предложили метод записи, известный в дальнейшем как
DVD+RW. Формат базируется на технологии CD-RW , но несо­
вместим со стандартом DVD-RAM .
■
DVD+RW имеет много общего с конкурирующей технологи­
ей DVD-RW , поскольку использует носитель с изменением ф а­
зового состояния и предполагает пользовательский опыт, полу­
ченный при использовании дисков CD-RW .
222
Глава 3. Накопители м асси вов инф ормации (внеш ние ЗУ)
«Монтаж без потерь» («Lossless linking») является методом,
разработанным специально для DVD+RW, который при исполь­
зовании переменной битовой скорости (VBR) позволяет видео­
приложениям приостанавливать и продолжать запись без по­
следствий, вызывающих потери. Чтобы сделать это, необходимо
записывать произвольный блок данных в определенное место
диска с высокой точностью (в пределах 1 мкм). Для этой цели
микродорожка на диске отпечатывается с более высокой часто­
той модуляции (wobble frequency), которая обеспечивает усло­
вия, при которых запись информации может была начата и оста­
новлена в точно определенных позициях. Вместе с опцией «от­
сутствие контроля дефектов» эта особенность позволяет
DVD+RW-дискам быть записанны ми таким образом, чтобы мак­
симизировать совместимость с существующими проигрывателя­
ми и дисководами DVD (рис. 3.21, а).
Исходным состоянием записывающего слоя диска DVD+RW
является поликристаллическое. В процессе записи сфокусиро­
ванный лазерны й луч нагревает выбранные области материала
выше температуры плавления (500—700 °С), так что вещество
быстро переходит в жидкое состояние. Затем, при достаточно
быстром охлаждении жидкое состояние переходит в аморфное.
Если записываю щий слой нагрет ниже температуры плавления,
но выше температуры кристаллизации (200 °С) в течение доста­
точного времени (дольше чем минимальное время кристаллиза­
ции), атомы возвращаются к упорядоченному, поликристаллическому состоянию.
Односторонний диск
Д екоративны й
Декоративным слой
(матка диска)
Поликарбонат
сл ой д и ­
электрика
Полупрозрачный
металлический
отражатель
Записывающий
слой L0
диэлектрика
Поликарбонат
Лазерные лучи
Рис. 3.21. Структура носителя DVD+RW (о) и DVD+R (б)
3.4. Накопители на DVD
223
В DVD+RW аморфное состояние имеет более низкую отра­
жательную способность чем кристаллическое состояние, и в
процессе считывания это приводит к появлению сигнала, иден­
тичного тому, который производится двухслойными дисками
D V D -RO M , позволяя считывать диски DVD+RW на дисководах
D V D -RO M , а также на проигрывателях D V D-видео.
Носитель состоит из гравированного поликарбонатного ос­
нования, на которое обычно напыляются четыре слоя. О снова­
ние отливается со спиральным углублением (дорожкой) для
управления сервомотором, адресной инф ормации и других д ан ­
ных. Ф азопеременный слой помещен между диэлектрическими
слоями, которые отнимают избыточное тепло от записывающего
слоя. В качестве этого слоя обычно используется сплав серебра,
индия, Сербия, теллура (Ag-In-Sb-Te). Химический состав слоя
определяет минимальное время кристаллизации, а структура
диска (толщина слоев, их теплоемкость и теплопроводность) о п ­
ределяет скорость понижения температуры в течение записи.
DVD+R. В октябре 2003 г. Philips и Verbatim выпускают н о ­
вую технология записи двухслойных DVD, которая фактически
удваивает вместимость записываемых дисков DVD+R от 4,7
до 8,5 Гбайт, при сохранении совместимости с существующими
DV D -проигрывателями и дисководами DV D-RO M .
Двухслойная система DVD+R использует две тонкие органи­
ческие пленки из окрашиваемого материала, разделенные про­
кладкой (заполнителем). Нагревание сосредоточенным лазерным
лучом необратимо меняет физическую и химическую структуру
каждого слоя так, что измененные участки получают оптические
свойства, отличные от неизмененной среды. Это приводит к ко­
лебаниям отражающей способности при вращ ении диска и обра­
зуется сигнал считывания такой же, как в штампованных дисках
D V D -RO M (рис. 3.21, б).
Обеспечение совместимости со стандартом DV D-RO M (что­
бы гарантировать, что новые двухслойные диски будут прочиты ­
ваться на коммерчески доступных проигрывателях DVD) было
достигнуто посредством использования в качестве материала о т ­
ражателя для верхнего (L0 на рис. 3.21, б) слоя тонкой пленки
серебросодержащего сплава, который обеспечивает отражатель­
ную способность, по крайней мере, 18 % (что согласуется со
стандартами на двухслойный DVD-ROM ). Кроме того, степень
прозрачности верхнего слоя записи выше 50 %, что позволяет
224
Глава 3. Накопители м ассивов информации (внешние ЗУ)
считывание и запись на нижнем уровне (L1 на рис. 3.21, б). Этот
уровень имеет более высокую светочувствительность, так как
верхний уровень поглощает и отражает часть падающего света, а
также имеет намного более высокий коэф ф ициент отражения
(>50 %), который обеспечивает после прохождения через все
слои эффективную отражательную способность (на поверхности
диска), по крайней мере, в 18 %. Эти высокие значения прозрач­
ности и отражательной способности достигнуты путем оптим и­
зации толщ ины и размещ ения слоев, размера дорожек и т. д.
Другие параметры — амплитуда и прохождение сигналов —
были также оптимизированы, чтобы гарантировать совмести­
мость с текущими стандартами DVD.
Технологии DVD с повышенной п л о тн о стью записи
В начале 2002 г. усилия Форума DVD избегать повторения
конфликтов вокруг специф икаций перезаписываемых форматов
DVD при обсуждении стратегий дальнейшего развития техноло­
гий (диски высокой плотности) потерпели неудачу, и произошел
очередной раскол — на технологии «Дисков голубого луча» (BD)
и DVD высокого разрешения (H D -D V D ).
Технология «Дисков голубого луча» (BD) является форматом о п ­
тических дисков следующего поколения, предложенным «Ассо­
циацией дисков голубого луча» (BDA, Blu-ray Disc Association) —
группой предприятий, ведущих в области бытовой электроники,
П К и носителей информации (сюда входят Apple, Dell, Hitachi,
HP, JVC, LG, Mitsubishi, Panasonic, Pioneer, Philips, Samsung,
Sharp, Sony, TD K и Thomson). Формат был разработан, чтобы
осуществлять запись, перезапись и воспроизведение как видео
высокого определения (H D ), так и больших объемов оциф рован­
ных данных.
Обычные оптические технологии таких дисков, как DVD,
D V D-R, DVD-RW и DVD-RAM (рис. 3.22), используют красный
(650 нм) лазер, диски с основой толщины 0,6 мм и линзы с число­
вой апертурой (NA), равной 0,6. Используя сине-фиолетовый л а­
зер с более короткой длиной волны (405 нм) и линзы с NA = 0,85,
технология BD позволяет сфокусировать лазерны й луч с намного
большей точностью и существенно уменьшает размер отметки,
наносимой лучом. Вследствие этого подача дорожки BD умень­
шается до 0,32 мкм или вдвое по сравнению с обычным DVD, а
3.4. Накопители на DVD
225
Лазерный луч ВО и HD-DVD — 405 нм
Фиолетовый — около 400 нм
Синий — 445 нм
Голубой — 475 нм
Зелен ы й — 510 нм
Желтый — 570 нм
Оранжевый — 590 нм
Красный — 650 нм
Лазерный луч
CD — 780 нм
Инфракрасный — >650 нм
Рис. 3.22. Использование участков спектра с различной длиной волны в техноло­
гиях оптических носителей
длина лазерной отметки — до 0,14 мкм (для DVD — 0,4 мкм).
Кроме этого, в данной технологии используется оптически про­
зрачный защитный слой толщиной 0,1 мм.
В конечном итоге достигается более высокая плотность запи­
си по сравнению с DVD — однослойный диск может вместить
25 Гбайт, что соответствует более чем 2 час записи HDTV (ТВЧ —
телевидение высокой четкости) или более чем 13 час SDTV
(обычного телевидения качества VHS, скорость 3,8 М байт/с).
Двухслойный диск будет вмещать, соответственно, 50 Гбайт, и все
это — на носителях, по размеру не отличающихся от традицион­
ных C D /D V D .
Метод записи для перезаписываемых BD (Recordable Blu-ray
Disc — RBD) состоит в том, что запись производится только в
точках, находящихся в углублениях (groove-recording) дорожек
на диске, разделенных возвышающимися плоскими участками
поверхности диска (lands), которые блокируют распространение
высокой температуры между дорожками при записи лазерной
отметки и предотвращают взаимные помехи, хотя расстояние
между углублениями (подача/ш аг дорожки) для RBD также со­
ставляет 0,32 мкм (рис. 3.23).
Записывающий слой RBD использует органические или не­
органические материалы. В случае однослойного диска расстоя­
ние от поверхности диска до регистрирующего слоя равно
100 мкм. В случае двухслойного — расстояние до переднего слоя
(слой 1) составит 75 мкм, а до заднего (слой 0) — 100 мкм. При
записи-воспроизведении информации на втором слое («0») двух­
слойного диска лазерный луч должен быть пропущен через перIS — 1814
226
Глава 3. Накопители массивов инф ормации (внеш ние ЗУ)
Защитный слой
Лазерный луч
Внешний слой
Передний слой (1)
Заполнитель
Защитный слой
Задний слой (0)
сплав
Защитный слой
Основа диска
а
в
Рис. 3.23. Общая структура диска BD (а); передний записывающ ий слой (б); зад­
ний записывающ ий слой (в)
вый слой («1»). Луч, сфокусированный на слое «О», не должен
изменять оптические характеристики слоя «1», поэтому перед­
ний слой обязан обеспечить оптический коэф ф ициент пропус­
кания не менее 50 %, независимо от состояния его участков (за­
писана там информация или нет).
HD-DVD. Стандарт DVD высокого разрешения (High
Definition Digital Versatile Disc — H D -D V D ) был одобрен
DVD-Ф орумом в качестве преемника формата DVD. Основные
спецификации технологии H D -D V D описываю т оптические
диски, использующие сине-фиолетовый лазер, позволяющий
увеличить плотность записи и скорость передачи данных.
H D -D V D -диск имеет тот же физический размер (4,7"), что и
DVD, но в связи с меньшими размерами отметок лазерного луча
и шага дорожки обладает вместимостью примерно в 3—6 раз
большей. Это достигается путем использования сине-ф иолетово­
го лазера (фактически фиолетового, на 405 нм) и линзы с апер­
турой NA = 0,65 в оптической головке считывания.
В соответствии со стандартами однослойный HD -D V D дол­
жен иметь вместимость 15 Гбайт, а двухслойный — 30 Гбайт.
Весной 2005 г. Toshiba объявила о разработке трехслойного д ис­
ка на 45 Гбайт.
Основное преимущество технологии H D -D V D по отнош е­
нию к конкурирующему формату BD заключается в обратной
3.5. Альтернативны е и перспективны е накопители
227
совместимости с обычными DVD. H D -DVD-плейеры должны
без проблем воспроизводить DVD. Уже в конце 2003 г. N E C вы ­
пустила дисководы, в которых единственная оптическая головка
комбинировала синие и красные лазеры.
В табл. 3.12 приводятся некоторые сравнительные данные по
форматам BD, H D -D V D и обычных DVD.
Таблица 3.12. Характеристики различных DVD высокой плотности
Тип диска
Характеристики
Обычный DVD
«Голубой луч» BD
HD-DVD
Емкость одного слоя, Гбайт
4,7
25
15
Максимальное число слоев
2
2
2
Максимальное число сторон
2
2
2
0,6+ 0,6
1,1 +0,1
0 ,6 + 0 ,6
Длина волны луча, нм
650
405
405
Числовая апертура
0,65
0,85
0,65
Необходимость картриджа
Нет
Нет
Нет
Необходимость жесткого покрытия
Да
Нет
Нет
Проблемы со считыванием DVD
Нет
Есть
Нет
11,08 (1х)
36,55 (1х)
36,55 (1х)
один слой
Нет
2
2
два слоя
Нет
4
4
Толщина основы + защитный слой, м м
Максимальная скорость передачи данных,
Мбайт/с
Максимальное
время записи для
HDTV, час:
3 .5 . Альтернативные и перспективные накопители
Solid State Disk
«Диски твердого тела» (Solid State Disk, или Solid State Drive —
SSD) представляют собой накопители инф ормации, которые ис­
пользуют в качестве среды хранения массивов данных либо «не­
разрушимую» энергонезависимую память (такую, как ф лэш -м о­
дули), либо энергозависимую (банки SDRAM — статической или
I *>*
228
Глава 3. Накопители массивов инф ормации (внеш ние ЗУ)
динамической оперативной памяти) вместо дисков, обычных для
НЖ М Д или C D /D V D . Не являясь «дисками» в каком-либо тех­
ническом смысле, эти устройства называют так, поскольку их ти ­
пичное использование состоит в замене обычных дисководов в
тех случаях, когда те оказываются неприемлемыми (рис. 3.24).
SSD, основанные на технологиях SDRAM , характеризуются
быстрым доступом к данным (менее чем 0,01 мс или более чем в
250 раз быстрее, чем НЖ М Д ) и в основном используются для
ускорения приложений, которые сильно страдают от латентно­
сти НЖ М Д.
Типичны й DRAM -SSD содержит внутренний источник пи­
тания и резервный НЖ М Д для зашиты данных. При случайном
отключении питания батареи поддерживают работоспособность
устройства в течение периода времени, достаточного для аварий­
ного копирования ОП на диск. После возобновления энерго­
снабжения данные восстанавливаются с диска и накопитель
продолжает нормальное функционирование.
М ногие производители SSD используют в качестве среды
хранения модуль ф лэш -памяти («флэш-диски»), которые не тре­
буют аварийного питания и могут выпускаться в привычных
форм-факторах НЖ М Д (1,8", 2,5" и 3,5"). Так же, как и
DRAM -SSD , ф лэш -SSD обладают высоким быстродействием
из-за отсутствия движущихся частей, которые являются источ­
ником длительного времени поиска, латентности и других элек­
тромеханических задержек, характерных для обычных дисковых
накопителей.
Основанные на флэш-модулях, SSD имеют следующие дос­
тоинства:
• высокую скорость считывания данных и меньшее время за­
грузки (как правило, вдвое выше сравнительно с НЖ М Д);
а
6
в
Рис. 3.24. Некоторые разновидности SSD:
а — использующий RAM-память; б — ф лэш -накопитель форм-фактора 2,5"; в —
внеш ний ф лэш -накопитель «нетрадиционного оформления» («cyuw»-USB)
3.5. Альтернативные и перспективные накопители
229
• небольшое энергопотребление и минимум шумов (в связи с
отсутствием механических компонент);
• механическую прочность — устройства способны выдержи­
вать удары до 2000g (эквивалентно падению с высоты 3 м
на бетон) без разрушения данных;
• -высокую надежность (опять же в связи с отсутствием меха­
ники). Сроки ж изни ранних ф лэш -накопителей были огра­
ничены некоторым числом (порядка 100 ООО) циклов запи­
си-считы вания, но современные флэш -технологии в соче­
тании с коррекцией ош ибок позволяют функционировать
устройствам в течение нескольких лет (ряд производителей
заявляю т о 10-летнем сроке жизни);
Недостатки:
• высокая стоимость (в 2007 г. цены на ф лэш -накопители
превышали цены на НЖ М Д, составляя 12,5 долл./Гбайт,
против 2 долл./Гбайт для НЖ М Д);
• низкая скорость записи (18 М байт/с по сравнению с
50 М байт/с для наилучших образцов НЖ М Д);
• надежность ниже, чем для НЖ М Д;
• низкая восстанавливаемость (данные безвозвратно утрачи­
ваются при разруш ении ячеек памяти, тогда как обычные
НЖ М Д в случае механических повреждений часто позво­
ляю т восстановить часть данных).
Современные накопители на базе SSD имеют ограниченное
распространение и цены, выводящие их за пределы основного
рынка П К . Только небольшая группа фирм предлагает большие
(более 64 Гбайт) SSD-накопители, в которых скорость доступа
сравнима с НЖ М Д. Они применяю тся в супермобильных и
сверхлегких П К , часто по особым запросам пользователей, по­
вышая стоимость систем на 200—800 долл.
П а м я ть на к а р т а х PCI
Карты Samsung Electronics с флэш -памятью SmartM edia п оя­
вились в 1996 г. и наряду с CompactFlash продолжили оставаться
одним из преобладающих форматов ф лэш -памяти (рис. 3.25).
В конце 1999 г. компания объявила первый в мире опытный об­
разец ф лэш -памяти в 1 Гбайт, основанный на 0,15-мкм техноло­
гиях. М ассовое распространение в последующие годы получили
карты вместимостью 128 М байт, а затем — 512 Мбайт.
230
Глава 3. Накопители массивов инф ормации (внеш ние ЗУ)
а
б
в
г
д
Рис. 3.25. Наиболее распространенные типы накопителей на картах
(см. также табл. 2.3):
а — Com pactFlash; б — MemoryStick; в — Secure Digital; г — xD; д — SmartM edia
Флэш-память с USB-интерфейсом (рис. 3 .2 6 )
Ф лэш -пам ять (flash memory) — основанная на твердом теле,
энергонезависимая, перезаписываемая память, которая работает
одновременно подобно оперативной памяти и НЖ М Д. Н апоми­
нает обычную память, имея форму дискретных чипов, модулей
или карточек с памятью, так же, как в DRAM и SRAM, биты
данных сохраняются в ячейках памяти. Однако так же, как
НЖ М Д, ф лэш -память энергонезависима, сохраняя данные, даже
когда питание выключено.
В настоящее время ф лэш -накопители поддерживаются оп е­
рационными системами Windows 2000 и ХР без необходимости
установки каких-либо специальных драйверов. При включении
устройства в разъем оно автоматически распознается системой и
регистрируется. При заверш ении работы необходимо выполнить
Рис. 3.26. Устройство типичного USB флэш -накопителя (Seitec brand US В I. I):
/ — разъем USB; 2 — контроллер USB-накопителя; 3 — контакты для тестирова­
ния; 4 — чип флэш -памяти; 5 — тактовый генератор; 6 — светодиод (LED); 7 —
ключ зашиты от записи; S — место для размещения второго чипа памяти
3.5. Альтернативные и перспективные накопители
231
отключение устройства, после чего оно будет удалено из систе­
мы и может быть снято. Примеры накопителей с U SB -интер­
фейсом приведены в табл. 3.13.
Таблица 3.13. Характеристики некоторых образцов USB-накопителей
Марка
М -System s «Disgo»
Общий вид изделия
Характеристики
Считается первым европейским образ­
цом изделия «флэш-накопитель с
USB-интерфейсом». Был провозглашен
в рекламе как «а true floppy-killer».
Емкость 8 ,1 6 ,3 2 ,6 4 (в дальнейшем —
до 256) Мбайт
Canyon USB 2.0
Flash M em ory Drive
Габаритные размеры 13 х 67 х 25 мм.
Вес изделия 20 г. Емкость 128,2 5 6 и
512 Мбайт. В комплектацию накопителя
входит компакт-диск с драйверами и ПО,
руководство пользователя, U SB -кабель и
держатель ключа. Поставляемое про­
граммное обеспечение позволяет обес­
печить доступ к конфиденциальной ин­
ф ормации, хранящейся на носителе с
помощью пароля благодаря USB Flash
Disk Utility
Verbatim Store 'n' Go
Накопитель с емкостью от 128 Мбайт до
4 Гбайт
Gembird F-Watch 2.0
Часы со встроенным флэш-накопителем.
Первая модель производства OTi была
построена на базе контроллера USB 1.1,
во второй используется новый чип той
же ф ирмы , поддерживает USB 2.0
в
Creative MuVo
Цифровой МРЗ-аудиоплейер, выполняю­
щий также функции флэш-накопителя с
USB-интерфейсом
232
Глава 3. Накопители массивов инф ормации (внеш ние ЗУ)
Технология OAW
Еще одно из реш ений, ориентированных на преодоление суперпарамагнитного барьера, было предложено в филиале Seagate
(корпорация Quinta) и заключалось в использовании «оптиче­
ского винчестера» (Optically Assisted W inchester — OAW).
OAW основывается на магнитооптических технологиях, но
рациональное использование методов позволит обойти недостатМикроэеркало
Мощный лазер
Носитель
Соленоид
I 1! Ill fe I I I I I
а
Линии данных
Носитель (тонкая органическая пленка)
у
б
Рис. 3.27. Технология OAW (о); проект «многоножка» (б)
3.5. Альтернативны е и перспективные накопители
233
ки работы форматов МО. Лазерный луч сосредоточивается на
поверхности жесткого диска и может использоваться для того,
чтобы производить чтение и запись. Используется «эффект К ер­
ра» — луч поляризованного света при отражении от намагничен­
ной -поверхности меняет плоскость поляризации. Далее фильтр
определяет степень поляризации и интенсивности света и сте­
пень намагниченности (рис. 3.27, а).
Этот метод чтения нуждается в меньшей силе лазера, так
что тепловое воздействие на среду м инимально, что предотвра­
щает разруш ение данных. Тот же самый лазер и оптика могут
использоваться для записи. М икроскопическая область на ж е­
стком диске нагревается лазером более высокой выходной
мощ ности до температуры, названной «точка Кюри», при кото­
рой магнитные свойства области «переключаются» м агнитной
катушкой.
В отличие от обычной магнитооптики, когда при первом
обороте поверхность нагревается, а при следующем производит­
ся запись, OAW нагревает пластину и делает запись за один про­
ход. Здесь используется зеркало, подвергнутое специальной об­
работке и небольшая линза, чтобы сосредоточить лазер на наи­
меньшей возможной области. Смежные области не нагреваются
и поэтому их намагниченность не изменяется.
В отличие от обычных М О-дисководов, лазерный свет п о ­
падает к головке через оптическое волокно вместо того, чтобы
проходить через зеркала и воздух. В результате головка и рычаг
подвески занимаю т намного меньше места, позволяя разм ес­
тить большее количество платтеров в типоразмеры жесткого
диска.
П роект «Многоножка» (M illipede)
В конце 1999 г. Цюрихская научно-исследовательская лабо­
ратория IBM обнародовала концепцию , согласно которой микро- и наномеханические системы могут конкурировать с элек­
тронны ми и магнитными устройствами в области запоминаю ­
щих устройств большой емкости. Вместо того чтобы записывать
биты, намагничивая точки на поверхности диска, новое устрой­
ство «Millipede» (многоножка, тысяченожка, — по прозвищу раз­
работчиков), выплавляет крошечные углубления в поверхности
носителя.
234
Глава 3. Накопители массивов информации (внеш ние ЗУ)
Технология основана на использовании «ножек» (кончиков),
установленных на концах крош ечных консолей, чтобы сканиро­
вать мельчайшие детали поверхности. Кончики «многоножки»
(числом 1024 = 32 х 32) нагреваются электрическим импульсом
до 750 °F (400 °С), что достаточно, чтобы выплавить отверстие в
поверхностной пленке полимера диска. Кончики оставляют от­
верстия размером в 30—50 нм, каждое из которых представляет
один бит. Чтобы считать данны е, «многоножка» определяет, н а­
ходится ли «ножка» в отверстии, фиксируя температуру консоли
(см. рис. 3.27, б).
Технологически элемент записи-чтения состоит из массива
64 х 64 = 4096 микрорычагов, занимаю щих 6,4 х 6,4 мм2 и пом е­
щенных на кремниевый чип (10 х 10 мм2), изготовленный по н о ­
вой технологии, позволяю щей осуществлять непосредственную
связь микрорычагов с C M O S-электроникой. М икрорычаги им е­
ют раздельные нагреватели для записи и чтения и электростати­
ческий привод для движения в направлении оси zВысокие скорости работы с данными могут быть достигнуты
совместной работой большого количества крош ечных «ножек».
Специалисты IBM полагают, что этот метод в конечном счете
позволит достигнуть плотности хранения 500 Гбит/дю йм2.
Голографические ж е стк и е диски
В конце 1995 г. объединенный консорциум университе­
тов/промыш ленности/правительства начал программу по разра­
ботке голографической системы хранения данных (HDSS), удов­
летворяющую следующим требованиям:
• высокая производительность;
• высокая пропускная способность светового модулятора,
используемого для ввода данных;
• наличие оптимизированного датчика, выстраивающего вы ­
водимые данные по порядку;
• использование мощ ного полупроводникового лазера крас­
ного света.
Известно, что в голографических средах могут быть сохране­
ны большие количества данных, поскольку лазер записывает
страницы оптических образов в различных слоях специальных
оптических материалов, а не только на поверхности. В традици­
онной голографии каждый угол сканирования носителя показы­
3.5. Альтернативные и перспективные накопители
вает различные аспекты одного и того же объекта. В голографи­
ческих ЗУ каждая «страница» информации может быть извлече­
на отдельно.
Голографическая память при записи использует два лазер­
ных луча — опорный и луч данных, чтобы создать интерф ерен­
цию в среде, где эти лучи пересекаются. Это пересечение вы зы ­
вает устойчивое физическое или химическое изменение, которое
сохраняется в среде. В процессе чтения интерференция опорно­
го луча и луча данных воспроизводит сохраненный в среде об­
раз, который обнаруживается массивом детекторов. Среда может
быть вращающимся диском, содержащим полимерный материал
(рис. 3.28) или включать оптически чувствительный неподвиж ­
ный кристалл.
Рис. 3.28. Голографический универсальный диск (Holographic Versatile Disc) про­
изводства Optware (о); технология записи-считывания голографических жестких
дисков (<5)
Поскольку здесь нет каких-либо движущихся частей, голо­
графическая память оказывается намного более надежной, чем
существующие технологии жесткого диска. IBM продемонстри­
236
Глава 3. Накопители массивов инф ормации (внеш ние ЗУ)
ровала возможность записи 1 Гбайта данных на кристалл разме­
ром в кубик сахара со скоростью доступа к данным около 1 трлн
бит/с. Основная проблема — создание перезаписываемой формы
голографической памяти.
.
Флюоресцентная дисковая технология
Альтернативная технология высокоплотного носителя д ан ­
ных была предложена американскими специалистами по систе­
мам хранения данных фирмы C3D в форме оптической техноло­
гии памяти, которая позволяет разместить 140 Гбайт и более на
единственном многослойном диске.
При использовании обычной оптической технологии качест­
во быстро ухудшается с увеличением числа слоев записи. П ри­
чины — оптическая интерф еренция, шумы, рассеивание, и вза­
имные помехи, возникаю щ ие вследствие того, что луч лазера
чтения и отраженный сигнал имею т одну и ту же длину волны, а
также используется когерентный отраженный сигнал. Деграда­
ция сигнала быстро нарастает, так что в итоге возможны не бо­
лее чем два слоя записи. Однако при использовании флюорес­
центных систем считывания качество ухудшается намного мед­
леннее и предполагается, что на диске размера стандартного C D
можно будет разместить до 100 слоев записи.
Технология базируется на так называемом эффекте «устой­
чивого фотохрома», который был исследован российскими ф и ­
зиками. Это прозрачное органическое вещество, флю оресценция
которого может быть переклю чена лазерным лучом в течение
достаточного времени для того, чтобы быть обнаруженной стан­
дартным фотосенсором. Эта особенность позволяет расположить
прозрачные уровни друг над другом и записать информацию на
каждом из них.
Когда флуоресценция инициируется лазерным светом, одно­
временно испускается как когерентный, так и некогерентный
свет. Последний состоит из волн, которые слегка сдвинуты по
фазе относительно друг друга, и это используется в технологии
C3D. Н есинхронизированные лучи света позволяю т читать д ан­
ные через различные слои, расположенные в прозрачном дис­
ке — один из лучей может считывать данные верхнего слоя, и в
то же самое время другие лучи проникают через него, чтобы
3.5. Альтернативные и перспективные накопители
237
прочитать внутренние слои. В результате достигается большая
емкость памяти и высокая скорость передачи данных.
Носитель может быть оформлен не только в виде диска, но и
как многослойная оптическая карта в формате, например, кре­
дитной карты или почтовой марки (ClearCard). Вместимость и
скорость чтения для этих карт потенциально огромны. Н апри­
мер, с 2001 г. уровень технологии позволяет разрабатывать карты
ClearCard площадью 16 см2 с 50 уровнями, обеспечивающими
вместимость 1 Тбайт, а при параллельном обращении ко всем
уровням — скорость считывания выше 1 Гбайт/с. Если объеди­
нить параллельное обращ ение к разным слоям и параллельное
считывание нескольких секторов из одного слоя, скорости пере­
дачи данных еще более увеличиваются; фактически происходит
трехмерная передача данных.
Основные изделия, которые могут производиться по данной
технологии:
• FM D ROM (только чтение): в зависимости от приложения
и рыночных требований первое поколение 120 мм дисков,
с полной толщ иной менее 2 мм, FM D ROM может хранить
от 20 до 100 Гбайт данных, записанны х на 12—30 слоях,
что достаточно для просмотра 20 ч сжатого HDTV;
• FM D Microm W ORM (однократная запись) — диск 0 3 0 мм
(компактная версия FM D ROM ), 10 слоев записи, емкость
4 Гбайт;
• FM C (fluorescent multilevel card) ClearCard ROM . Карта
50 мм в формате размера кредитной карты, которая обеспе­
чивает начальную вместимость 5 Гбайт, которую предпола­
гается в конечном счете довести до 20 слоев, с плотностью
данных 400 М байт/см 2 и вместимостью до 10 Гбайт;
• FM C WORM ClearCard, карта для однократной записи —
развитие ClearCard ROM — первоначальная вместимость
5 Гбайт.
Технология C3D не совместима с текущими форматами CD
и DVD. Однако, эта проблема может быть решена в будущем.
М агнитооптические технологии (рис. 3.29)
К ак следует из названия, эти диски используют сочетание
магнитных и оптических технологий, используя лазер, чтобы
считывать данные с диска, при дополнительном использовании
238
Глава 3. Накопители м асси вов инф ормации (внеш ние ЗУ)
магнитного поля при записи данных. Устройство спроектирова­
но так, что вставляемый диск подвергается воздействию магнит­
ного поля с одной стороны и лазерного луча с противоположной
(рис. 3.29). Диски, имеющие форматы в 3,5" и 5,25", покрыты
слоем специального сплава, который обладает свойством отра­
жать излучения лазера под слегка различающ имися углами в за­
висимости от направления намагниченности, и данные могут за­
писываться как «северные* и «южные» магнитные полюса, как и
в случае жесткого диска.
В то время как жесткий диск может перемагничиваться при
любой температуре, магнитное покрытие, используемое на
М О-носителях, чрезвычайно устойчиво к намагничиванию при
комнатной температуре, сохраняя данные неизменными, пока
записываю щий слой не будет нагрет выше уровня температуры,
называемого точкой Кюри (обычно приблизительно 200 °С).
М агнитооптические накопители используют лазер для нагрева­
ния определенных областей магнитных частиц. После разогрева
магнитных частиц направление их магнитных полей может быть
легко изменено полем, сгенерированным магнитной головкой.
Эта методика дает возможность М О-носителям достигать боль­
шей плотности упаковки инф ормации, чем позволяют другие
магнитные устройства.
Лазерный
диод
J b "’
Линзы
колг
коллиматора
В Ц ААнализатор
нали
Детектор
\
Дете»
М
©
Полупрозрачное
ш ое
зеркало
у
’t
z.
0
Записывающий
слой
Электромагнит
Линзы
объектива■
ы
0
V
О т ­
вращ ение Керра
л ш и и гслой
пой Записывающий
б
Рис. 3.29. М агнитооптическая технология:
о — запись; б — считывание
Ф « 0 »
3.5. Альтернативные и перспективные накопители
239
И нф орм ация считывается, используя менее мощный лазер и
эф ф ект Керра, состоящ ий в том, что поляризация отраженного
света меняется в зависимости от ориентации магнитного поля.
В тех точках, где поверхность не была подвергнута лазерно-м аг­
нитному воздействию, участок представляет «О», а там, где точка
была нагрета и намагничена, будет записан сигнал «1».
М агнитооптические диски являются довольно дешевыми но­
сителями и имеют очень большую емкость, а также высокие ар­
хивные свойства, часто оцениваемые средней длительностью
хранения 30 лет — намного дольше, чем магнитные носители.
М агнитооптическая технология получила мощное подкреп­
ление весной 1997 г. с появлением устройства Plasmon DW260,
где использовалась технология LIM DOW , позволяющая достиг­
нуть более высокого уровня ф ункционирования сравнительно с
предшествующими магнитооптическими накопителями.
LIM DO W (Light Intensity M odulated Direct Overwrite — п ря­
мая перезапись с изменяемой мощностью светового луча).
LIM D O W -дисководы и диски используют тот же самый основ­
ной принцип, что и обычный МО накопитель: поверхность для
записи нагревается и намагничивается под воздействием внеш ­
него магнитного поля. Но вместо использования магнитной го­
ловки в дисководе магниты встраиваются в собственно диск.
LIM D O W -диск имеет два магнитных слоя непосредственно
позади отражающей рабочей поверхности. Эта поверхность при
нагреве до одного уровня температуры принимает намагничен­
ность одного из этих слоев, но при дальнейшем нагреве приоб­
ретает полярность другого магнитного слоя. При записи данных
на диск используются лазерные импульсы двух различных м ощ ­
ностей. Таким образом удалось существенно повысить скорость
записи данных до почти сравнимой с жесткими дисками.
LIM DOW начали ш ироко распространяться во второй поло­
вине 997 г, расширяя применение МО как в его традиционном
рынке (САП Р-СА П, и архивирование документов), так и в н о­
вых областях. При скорости доступа менее чем 15 мс и передаче
данных выше 4 М байт/с, LIM DOW МО становится серьезной
средой для аудиовизуальных и мультимедиа приложений. С коро­
сти передачи данных достаточны для того, чтобы обеспечить ау­
дио- и видеостандарт M PEG 2.
Кроме создания МО, конкурентоспособного по скоростям за­
писи, технология LIM DOW позволяет перейти к магнитооптиче­
ским дискам более высокой вместимости. Поскольку магнитный
240
Глава 3. Накопители м ассивов инф ормации (внеш ние ЗУ)
слой расположен рядом с рабочей поверхностью (а не где-нибудь
вне диска), запись может быть сделана с намного более высокой
плотностью, фактически ограниченной разрешающей способно­
стью следа лазерного луча («пятна», нагревающего поверхность).
В будущем с применением лазеров с более короткой длиной вол­
ны (красные лазеры, а затем синий лазер), ожидается снижение
размера следа, и вместимость диска может по отношению к сего­
дняш ней (2,6 Гбайт и более) увеличиться в 4 раза.
OSD-технология. Целью технологии сверхвысокой оптической
плотности (Optical Super Density — OSD) была разработка см ен­
ного магнитооптического носителя большой емкости (40 Гбайт
или более), который имел бы надежность, соответствующую се­
годняш ним требованиям ISO для МО, достигал норм передачи
данных, конкурентоспособных с жестким диском (30 М байт/с) и
обеспечивал бы более низкую стоимость мегабайта памяти, чем
другие оптические и магнитные технологии. Весной 1999 г.
Maxoptix Corporation — ведущий изготовитель М О -накопителей — объявил о создании O SD -технологии.
Достижение целей проекта сложилось на основе ряда инно­
вационных технологий:
• технология OverCoat Incident Recording (OCIR) — записы ­
вающий слой размещается сверху подложки (подобно ж ест­
кому диску), а также используется толстый прозрачный ак ­
риловый слой, подобный защитному покрытию обратной
стороны CD или DVD. Покрытие OSD более чем в 1000 раз
толщ е, чем у жесткого диска и лент, но намного более то н ­
ко, чем подложка, используемая на обычных носителях МО.
Поскольку это позволяет расположить линзу намного ближе
к записывающему слою диска, OSD способна использовать
более высокую числовую апертуру линзы , приводя к нам но­
го более высоким плотностям записи данных. OC IR также
обеспечивает более высокую долговечность носителей и
длинны й срок годности носителей — миллионы циклов чте­
ния-записи и более чем 50-летнюю сохранность инф орм а­
ции. OSD помещается в картридж (подобно обычным носи­
телям М О), совместимый с существующими устройствами
автоматической смены дисков. Это означает, что устройства
автоматической смены дисков МО могут быть модернизи­
рованы для носителей OSD, обеспечивая почти 800%-ное
увеличение вместимости и не требуя изменений в механике;
3.5. Альтернативные и перспективные накопители
241
• массовая поверхностная запись (Surface Array Recording —
SAR). Здесь используются независимые головки для чте­
ния/записи с обеих сторон носителя, чтобы позволить дос­
туп к обеим сторонам диска одновременно. Это отличается
от традиционных М О, где пользователи вынуждены пере­
ставлять носитель, чтобы прочитать данные, сохраненные
на противоположной стороне диска. Обеспечивая одновре­
менное чтение или запись по обеим сторонам диска, SAR
не только удваивает установленную вместимость, но также
позволяет достичь скорости передачи, сопоставимой с
НЖ М Д;
• модуляция магнитного поля (Magnetic Field M odulation —
M FM ) обходит ограничения, свойственные традиционному
использованию подмагничивания при записи данных на
диски МО. Посредством использования небольшой маг­
нитной головки в непосредственной близости от диска п о ­
лярность магнитного поля может переключаться с самой
высокой частотой. Быстрые изменения полярности созда­
ют отметки на диске, которые являются узкими и вы соки­
ми, и часто называются «полумесяцы». Отметки, имеющие
форму полумесяца, обеспечивают существенное увеличе­
ние плотности записи, которая больше не ограничена дли­
ной волны лазера;
• магнитное сверхразрешение (Magnetic Super Resolution —
MSR) — меняет фактор ограничения плотности записи с
длины волны лазера к способности выделить индивидуаль­
ные отметки при чтении, используя пятно луча, которое мо­
жет охватить несколько отметок. В процессе чтения к диску
прикладывается больше энергии, чтобы нагреть «слой счи­
тывания», который находится над уровнем записи. Уровень
считывания при этом обеспечивает более высокую разре­
шающую способность.
Контрольные вопросы
1. О х а р а к т е р и зу й т е м ето д ы за п и с и на м а гн и тн ы х н о с и т е л я х .
2. К а к о в а ст р у к т у р а и н ф о р м а ц и и на м а гн и тн ы х л е н та х?
3. В чем о с о б е н н о с т и т е х н о л о г и й QIC?
4 . К а к о в ы х а р а к т е р и с т и к и A IT ?
5. Что та к о е D ig it a l lin e a r ta p e ?
16 -
1814
242
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
Глава 3. Накопители массивов инф ормации (внеш ние ЗУ)
В чем заключается сущность зонной записи?
Перечислите способы размещения данных по дорожкам НЖМД.
Перечислите основные характеристики НЖ М Д и их современные значения.
Каковы основные «барьеры вместимости»НЖМЛ?
Назовите особенности файловых систем FAT и NTFS.
Что такое MR- и GMR-технологии?
В чем заключается система SMART?
Перечислите характеристики накопителей НЖ М Д и Zip.
Какова структура CD?
В чем состоит особенность МО-технологий?
Перечислите форматы DVD.
Назовите форматы перезаписываемых DVD.
В чем состоят различия DVD-RW и DVD+RW?
Приведите характеристики ф лэш-накопителей.
Что такое технология «M illipede»?
Какие форматы DVD HD вам известны?
Что такое технология HD-burn?
Глава 4
ПЕРИФЕРИЙНЫЕ УСТРОЙСТВА
ВВОДА-ВЫВОДА ТЕКСТОВОЙ И ГРАФИЧЕСКОЙ
ИНФОРМАЦИИ
В настоящей главе рассматриваются устройства, предназначен­
ные для ввода-вывода в массовом, пакетном режиме (страницами,
рулонами, стопами и другими крупными блоками информации).
В основном речь пойдет о вводе-выводе графической инф ор­
мации. За редким исключением большинство современных уст­
ройств пакетного ввода-вывода предназначаются именно для ра­
боты с этим типом информации. При этом можно утверждать,
что п р и н т е р ы и с к а н е р ы — это, как правило (хотя есть и
исклю чения), устройства для работы с р а с т р о в о й графиче­
ской информацией. П л о т т е р ы и д и г и т а й з е р ы — предна­
значены для обработки в е к т о р н о й графической информации.
4 .1 . Принтеры
П ринтер — устройство для вывода текстовой или графиче­
ской информации на различные твердые носители. Существует
несколько типов принтеров: матричные, струйные, лазерные,
твердочернильные, термосублимационные и т. д. Рассмотрим
каждую из групп более подробно (ударные принтеры вкратце
описывались в гл. 1, см. рис. 1.25).
Струйные принтеры
Главным элементом струйного принтера (рис. 4.1) является
печатающая головка, состоящ ая из сопел, к которым подводятся
чернила. Число сопел обычно находится в диапазоне от 16 до 64,
а иногда достигает нескольких сотен.
244
Глава 4. П ериф ерийны е устройства ввода-вы вода..
(
а
б
Рис. 4.1. Общий вид (я) и печатающий картридж (б) струйного принтера
В головку встроен механизм, позволяющий выбрасывать из
сопла микроскопические капли чернил. Поскольку струя ж идко­
сти стремится распасться на отдельные капли, необходимо откор­
ректировать случайный процесс распада струи, накладывая с по­
мощью пьезоэлектрического преобразования высокочастотные
колебания на струю красителя, выбрасываемую под высоким дав­
лением (до 90 бар). Таким способом может выбрасываться до 106
капель в секунду, размеры которых зависят от формы распылите­
лей и составляют несколько мкм, а скорость достигает 40 м/с.
Благодаря высокой скорости полета капель допускается ис­
пользовать печать на поверхности с сильными неровностями и в
зависимости от требований к качеству печати размещать их на
расстоянии 1—2 см от сопла-распылителя. В результате можно
наносить маркировку (например, данные о сроке годности това­
ра) на картонные коробки, бутылки, консервные банки, кури­
ные яйца или кабели.
Основной недостаток струйного принтера — возможность
высыхания чернил внутри сопла, что приводит к необходимости
замены печатающей головки.
Струйные принтеры используют следующие основные техно­
логии:
• пьезоэлектрическую (piezo-ink). Технология дешева, отли­
чается надежностью (так как не используется высокая тем ­
пература), менее инерционна, чем нагрев, что позволяет
повысить скорость печати;
• пузырьковую /термическую (bubble-jet). Технология связана
с высокой температурой, поэтому нагреватель со временем
покрывается слоем нагара и печатающая головка довольно
часто выходит из строя. Достоинством этого типа принте­
4.1. Принтеры
245
ров является долговечность (исключая печатающие голов­
ки, которые быстро изнашиваются и заменяются вместе со
сменой чернильного картриджа), а недостатком — низкая
резкость получаемых отпечатков.
Печатающие устройства с пьезоэлектрическими исполнитель­
ными механизмами. Для реализации пьезоэлектрического метода
в каждое сопло установлен пьезокристалл, связанный с диаф раг­
мой (рис. 4.2, а). Под воздействием электрического заряда про­
исходит деформация пьезоэлемента, который, сжимая и отпус­
кая трубку, наполняет капиллярную систему чернилами. Ч ерни­
ла, которые отжимаются назад, возвращаются в резервуар, а
выдавленные наружу образуют на бумаге точки.
Заряд
Пьеэодиск
(пьеэоэлектрик)
Вылет
У гп у й п ттп
Резистор
подогрева
«Камера сгорания»
Отверстие в печатающей
головке картриджа
6
Рис. 4.2. Принципы устройства пьезоэлектрического (а) и термического (6) уст­
ройства струйной печати
П ь е з о э л е к т р и ч е с к и е т р у б к и . В 1977 г. был проде­
монстрирован первый струйный принтер с дозированным вы­
бросом красителя. Он был оснащен двенадцатью соплам и-рас­
пылителями и печатал почти бесшумно со скоростью 270 зн ./с.
246
Глава 4. Периф ерийные устройства ввода-вы вода..
В принтере Siemens в качестве электромеханического преобразо­
вателя использовалась пьезоэлектрическая трубка, помещенная
в канал литой пластмассы.
П ь е з о п л а с т и н ы . В начале 1985 г. ком пания Epson пред­
ставила первый из своих пьезопланарных струйных принтеров.
Вместо пьезоэлектрических трубок в печатающих головках
Epson, выполненных из структурированных стеклянных пласти­
нок, укреплены небольшие пьезопластинки. Если к ним прило­
жить электрическое напряжение, их диаметр чуть-чуть изменит­
ся, но и этого будет достаточно, чтобы они согнулись вместе с
пассивной стеклянной многослойной подложкой подобно биме­
таллической пластине, что приведет к возникновению в канале
избыточного давления и красители выталкиваются тем же спо­
собом, что и в головках с пьезотрубками.
В 1987 г. компания Dataproducts предложила другой принцип
использования пьезоэлектриков для струйной печати, основан­
ный на применении пластинчатого пьезопреобразователя. С о­
гласно этому методу пьезопреобразователь, представляющий со­
бой длинную плоскую пластинку (ламель), размещается позади
небольшого резервуара с красителем. При воздействии на л а­
мель импульсов напряжения ее длина немного меняется, что
приводит к всплескам давления внутри резервуара, которые, в
свою очередь, выталкивают капли из сопла-распылителя.
Печатающие устройства с термографическими исполнитель­
ными механизмами (рис. 4.2, б). Каждое сопло оборудовано на­
гревательным элементом, который при прохождении тока за не­
сколько микросекунд разогревается примерно до 500 °С. Возни­
кающие при этом газовые пузыри выталкивают через выходное
отверстие сопла порцию (каплю) жидких чернил, которая пере­
носится на бумагу. При отклю чении тока нагревательный эле­
мент остывает, паровой пузырь уменьшается и через входное от­
верстие поступает новая порция чернил.
Если пьезоэлектрические печатающие механизмы приходит­
ся собирать из множества отдельных деталей, пузырьково-струй­
ные печатающие головки, представляющие собой структуры на
кремниевой основе, изготавливаются по тонкослойной техноло­
гии. При этом применяю тся в принципе те же производствен­
ные процессы, что и при изготовлении интегральных схем. К а­
налы подачи красителя, сопла-распылители, исполнительные
механизмы и токоподводящие ш ины создаются при поочеред­
ном нанесении слоев на подложки, например, способом ион-
4.1. Принтеры
247
но-лучевого напыления, и последующем структурировании этих
слоев. Поскольку головки струйно-пузырьковой термопечати из­
готавливаются по тому же принципу, что и интегральные м икро­
схемы, очевидна возможность интеграции последних в печатаю­
щие. кристаллы.
Пузырьково-струйные печатающие устройства делятся на две
группы:
• головка Edgeshooter, как это следует из названия, разбры з­
гивает чернильные капли перпендикулярно к направлению
образования пузырьков;
• в голОвке Sideshooter, где пластина с соплами-распы лите­
лями находится поверх нагревательных элементов и кана­
лов подачи чернил, пузырьки и капли движутся в одном
направлении.
Требования к качеству чернил для любых систем струйной
термопечати значительно выше, чем в пьезосистемах. П ринцип
функционирования и высокие температуры обусловливают п ри ­
менение только смешанных растворимых красителей на водяной
основе. Красители должны соответствовать целому ряду высоких
требований, должны образовывать пузырьки пара без отложения
осадков и выдерживать кратковременное нагревание до 350 °С.
Цветные струйные принтеры. Цветные струйные принтеры
имеют более высокое качество печати по сравнению с игольча­
тыми цветными принтерами и меньшую стоимость по сравне­
нию с лазерными. Цветное изображение получается за счет на­
ложения четырех основных цветов. Уровень шума струйных
принтеров значительно ниже, чем у игольчатых, поскольку его
источником является только двигатель, управляющий перемещ е­
нием печатающей головки. При черновой печати скорость
струйного принтера значительно выше, чем для игольчатого.
При печати с качеством LQ скорость составляет 3—4 (до 10)
страницы в минуту. Качество печати зависит от количества со­
пел в печатающей головке — чем их больше, тем выше качество.
Большое значение имеет качество и толщ ина бумаги. Выпуска­
ется специальная бумага для струйных принтеров, но можно пе­
чатать на обычной бумаге плотностью от 60 до 135 г/м 2. В неко­
торых моделях для быстрого высыхания чернил применяется по­
догрев бумаги. Разрешение струйных принтеров при печати
графики составляет от 300 х 300 до 720 х 720 тнд.
Печать цветных изображений на струйных принтерах проис­
ходит на основе цветовой модели CMYK. В дорогих моделях
248
Глава 4. Периферийные устройства ввода-вывода..
принтеров используются дополнительно два цвета — либо свет­
ло-голубой и светло-пурпурный, либо оранжевый и зеленый (та­
кие модели называют также фотопринтерами и они отличаются
повыш енным качеством цветопередачи).
Отметим, что цветные струйные принтеры очень чувстви­
тельны к качеству бумаги, поэтому здесь следует придерживаться
рекомендаций производителя принтера. Наивысшее качество
струйной печати достигается на специальной фотобумаге, отли­
чающейся достаточно высокой ценой.
Разреш ение цветного принтера соответствует числу ф изиче­
ских точек черного либо одного из основных цветов, наноси­
мых на бумагу. Для печати промежуточных оттенков принтер
прибегает к растрированию полутонов. С точки зрения пользо­
вателя это означает, что только 1-битовое черно-белое (либо бе­
ло-голубое, пурпурно-белое, желто-белое) изображение (bitmap)
без полутонов может быть напечатано с разреш ением, равным
заявляемому разрешению принтера, а полутоновое изображение
должно иметь разрешение в 6—8 раз лучшее. Иначе говоря, для
качественной струйной печати полутонового или цветного изо­
бражения с разрешением 120 тнд необходим принтер с разреше­
нием 720 тнд, а для изображения с разрешением 180 тнд —
принтер на 1440 тнд. Заметим, что реальное физическое разре­
шение головок принтеров Epson составляет 720 тнд (1440 у вы с­
ших моделей), а за счет половинного перемещения головки дос­
тигается разрешение 1440 х 720 тнд (соответственно у высших
моделей 2880 х 1440 тнд).
Фотоэлектронные печатающие устройства
Ф отоэлектронные способы печати основаны на освещении
заряженной светочувствительной поверхности промежуточного
носителя и формировании на ней изображения в виде электро­
статического рельефа, притягивающего частицы красителя, ко­
торые далее переносятся на бумагу.
Для освещ ения поверхности промежуточного носителя ис­
пользуется:
• в лазерных принтерах — полупроводниковый лазер;
• в светодиодных — светодиодная матрица;
• в принтерах с жидкокристаллическим затвором — лю ми­
несцентная лампа.
4 .1 . Принтеры
249
Лазерные принтеры. Принцип действия лазерного принтера
основан на методе сухого электростатического переноса изобра­
жения, предложенном Ч. Ф. Карлсоном в 1939 г. и используе­
мом также в копировальных аппаратах.
Ф ункциональная схема лазерного принтера приведена на
рис.~4.3. Основным элементом конструкции лазерного принтера
является вращающийся барабан, служащий промежуточным но­
сителем, с помощью которого производится перенос изображе­
ния на бумагу. Принтер является постраничным, т. е. формирует
для печати полную страницу. Барабан представляет собой ци­
линдр, покрытый тонкой пленкой светопроводящего полупро­
водника (оксид цинка или селен). По поверхности барабана рав­
номерно распределяется статический заряд, что обеспечивается
с помощ ью заряженной тонкой проволоки, сетки или ролика.
Лазер, управляемый микроконтроллером, генерирует тонкий
световой луч, отражающийся от вращающегося зеркала. Разверт­
ка изображения происходит так же, как и в телевизионном ки-
s
Рис. 4.3. Лазерные принтеры:
а — Canon Selphy 710; б — Sony PictureStation D PP-FP55; в — Samsung ML
1610; г — схема технологического процесса в принтере: / — лазер; 2 — зеркало
развертки; 3 — луч; 4 — заряженный ролик; 5 — подача тонера; 6 — красящ ий
барабан; 7 — ролик протяжки бумаги; 8 — очиститель барабана; 9 — нагрева­
тель; 10 — бумага для печати
250
Глава 4. Периферийные устройства ввода-вывода...
нескопе — движением луча по строке и кадру. С помощью вра­
щающегося зеркала луч скользит вдоль барабана и изменяет его
электрический заряд в точках падения. Размер заряженной точ­
ки зависит от фокусировки луча лазера с помощью объектива.
Для некоторых типов принтеров в процессе подзарядки потен­
циал поверхности барабана изменяется с 900 до 200 В. Таким об­
разом, на барабане, промежуточном носителе, возникает скры ­
тая копия изображения в виде электростатического рельефа.
На следующем этапе на фотонаборный барабан наносится
т о н е р — краска, состоящая из мельчайших частиц. Под дейст­
вием статического заряда эти частицы притягиваются к поверх­
ности барабана в точках, подвергшихся экспозиции, и формиру­
ют изображение в виде рельефа красителя.
Для ф иксации тонера страница вновь заряжается и пропус­
кается между двумя роликами с температурой около 180 °С. П о­
сле окончания печати барабан полностью разряжается, очищ ает­
ся от прилипш их лишних частиц, готовясь для печати следую­
щей страницы.
Ц в е т н о е и з о б р а ж е н и е с помощью лазерного принте­
ра получается по стандартной схеме CMYK. Это фактически че­
тыре черно-белых аппарата с одним общим фотобарабаном.
В цветном лазерном принтере изображение формируется на све­
точувствительной ф отоприемной ленте последовательно для ка­
ждого цвета, имеются четыре емкости для тонеров и от двух до
четырех узлов проявления (рис. 4.4).
Прямо на носитель
Рис. 4.4. Структура процесса печати в цветном лазерном принтере
В более старых принтерах краски каждого из базовых цветов
последовательно наносились на фотобарабан и бумагу, и в ре­
зультате лист печатался за четыре прогона. В современных кон­
4 .1 . Принтеры
251
струкциях краски наносятся отдельными прогонами только на
барабан, а на бумагу с него переносятся все сразу.
Цветные лазерные принтеры оборудованы большим объемом
памяти, процессором и, как правило, собственным Н Ж М Д , на
котором располагаются образцы ш рифтов и программное обес­
печение принтера, управляющее работой, контролирующее со­
стояние и оптимизирующее производительность принтера. В ре­
зультате цветные лазерные принтеры оказываются достаточно
сложными и дорогими печатающими устройствами.
Светодиодные принтеры, или LED -принтеры (от англ. LED —
Light Emitting Diode), основаны на том же принципе действия,
что и лазерные. Конструктивным различием является то, что ба­
рабан освещается не лучом лазера, развертка которого обеспечи­
вается с помощью механически управляемых зеркал, а непод­
вижной диодной строкой (линейкой), содержащей до 2500 свето­
диодов, которая описывает не каждую выводимую точку, а целую
строку.
В принтерах с жидкокристаллическим затвором в качестве ис­
точника света служит лю минесцентная лампа. Свет лампы управ­
ляется жидкокристаллическим затвором, прерывателем света,
который выполняет команды драйвера. Скорость печати такого
принтера ограничена скоростью срабатывания жидкокристалли­
ческого затвора и не превышает 9 листов в секунду.
Принтеры других технологий
Несмотря на то, что лазерные и струйные принтеры дом ини­
руют на рынке, существуют и другие технологии печати. Техно­
логия твердых чернил занимает значительную долю рынка, так
как предлагает продукцию хорошего качества в широком ассор­
тименте, в то время как термовоск и сублимация красок играют
важную роль в специализированных областях печати (рис. 4.5).
Твердые чернила. Твердочернильные (Solid Ink) принтеры
были разработаны в попытке устранить основные недостатки
цветных лазерных принтеров, а именно низкую скорость печати
за счет совершения 4 проходов барабана по бумаге. Отпечаток,
сделанный на твердочернильном принтере, получается немного
зернистым из-за физических свойств красителя (как правило,
это окраш енный воск), зато очень насыщ енным, и хорошо пере-
252
Глава 4. Периферийные устройства ввода-вывода...
’Тракт бумаги
Чернила
Печатающая головка
(ширина страницы)
9 Q
.Воск, расположенный
на барабане
Испарившиеся краски
6
Жидкий воск
в
Рис. 4.5. Альтернативные технологии печати:
а — твердые чернила; б — сублимация красок; в — термовоск
дающим полутона. Типичными представителями этого типа яв­
ляются устройства Tektronix фирмы Xerox.
Восковые чернильные палочки расплавляются, а затем смесь
впрыскивают на передающий барабан, откуда она через отвер­
стия попадает на бумагу, где практически мгновенно застывает
(в этом состоит их существенное отличие от струйных принте­
ров, в которых краситель растекается по бумаге, за счет этого
изображение может получаться более темным, чем необходимо).
После разогрева восковые тепловые принтеры не следует пере­
двигать, иначе воск может быть поврежден. Они должны нахо­
4 .1 . Принтеры
253
диться в защ ищ енном месте и их целесообразно использовать в
качестве сетевых устройств.
Твердые струйные принтеры дешевле, чем аналогичные
цветные лазерные принтеры, и эконом ичны из-за политики из­
готовителя, предоставляющего черные чернила бесплатно. Хоро­
шее качество продукции поддерживается высококачественными
моделями принтеров. Однако они не так хороши, как цветные
лазерные принтеры для графики и текста или хороший черниль­
ный принтер для фотографий. Разреш ение начинается с обы ч­
ных 300 тнд, повыш аясь до максимального значения 450—850
тнд. Скорость цветной печати обычно составляет 4 стр./м ин при
стандартном разреш ении и повышается до 6 стр./мин при м ень­
шем разрешении.
Сублимация красок. В основу действия сублимационных
(Dye-Sublimation) принтеров положен термоперенос красителя с
помощью испарения с последующим его внедрением в специ­
альную бумагу с полистирольным покрытием. При этом получа­
ется довольно высокое качество, близкое к фотографическому, а
главное — без заметной глазу дискретности. Поэтому сублима­
ционные принтеры принято относить к устройствам, печатаю­
щим непрерывными тонами.
М ного лет принтеры сублимации красок были устройствами,
ш ироко применяемые в графическом искусстве и при работе с
фотографией. С появлением цифровой фотографии во второй
половине 1990-х гг. возник спрос на автономные портативные
фотопринтеры.
П роцессы печати, используемые принтерами сублимации
красок и чернильными, различаются. Вместо того чтобы распы­
лять чернила через сопло на страницу, как это делают струйные
принтеры, принтеры сублимации красок используют для транс­
порта краски пластиковую пленку. Она имеет форму рулона или
ленты и содержит последовательные изображения составных
цветов CMYK.
Транспортирующая пленка касается тепловой печатающей
головки, содержащей тысячи нагревающихся элементов. Высо­
кая температура заставляет краски на пленке сублимироваться —
превращаться в газ, без жидкой фазы, и краска в форме пара по­
глощается бумагой. Управление количеством краски происходит
посредством изменения интенсивности и продолжительности
воздействия высокой температуры.
254
Глава 4. Периферийные устройства ввода-вывода..
Когда чернила попадают на бумагу, они размываются. Этот
эф ф ект позволяет принтеру создавать смеш анные тона. Движе­
ние бумаги увеличивает область непрерывного цвета.
Принтеры сублимации красок используют систему с тремя
этапами: слои синей, бордовой и желтой красок наносятся друг
на друга. Затем помещается прозрачный слой, защ ищ ающ ий пе­
чать от ультрафиолетового света.
Существует также ряд струйных принтеров, поддерживаю­
щих технологию сублимации красок, которая однако отличается
от исходной технологии испарения красок, здесь чернила нахо­
дятся в картриджах, которые могут за один проход напечатать
только часть страницы. Чернила нагреваются до температуры
испарения (500 °С, что выше, чем в обычных принтерах субли­
мации красок). Данный гибридный метод используется в прин­
терах Alps и относится к технологии Micro Dry. Эти устройства
работают в диапазоне разреш ения 600—1200 тнд, и некоторые
стандартные картриджи могут быть заправлены специальными
фоточернилами для высококачественной печати.
Термоавтохром. Технология термоавтохром (ТА — therm o
autochrome) появилась сравнительно недавно и используется в
принтерах, выпускаемых как комплектующие устройства к ц и ф ­
ровым камерам. Бумага ТА содержит три слоя пигмента — си­
ний, бордовый и желтый, каждый из которых обладает чувстви­
тельностью к специфическому диапазону температур, причем
желтый имеет самую низкую температурную чувствительность,
далее идут синий и бордовый. Принтер оборудован тепловыми и
ультрафиолетовыми головками, и печать производится в три
прохода. Н а первом бумага нагревается до температуры, необхо­
димой для активизации желтого пигмента, затем облучается
ультрафиолетом перед прохождением на следующий цвет (бор­
до). Хотя последний проход (синий) не требует обработки ульт­
рафиолетом, результат, как утверждают, является более надеж­
ным, чем при сублимации красок.
Термовоск. Тепловой воск (thermal wax) — технология, родст­
венная сублимации красок, которая является подходящей для пе­
чати диапозитивов. П ринтеры используют рулоны пластиковой
пленки CM Y или CMYK, покрытой красителями на основе воска.
Тысячи нагревательных элементов на печатающей головке
заставляют воск таять и покрывать бумагу или прозрачный мате­
риал. Разреш ение и скорость печати низкие — обычно 300 тнд и
около 1 стр./мин.
4 .2 . Сканеры и фотокамеры
255
4 .2 . Сканеры и фотокамеры
Сканеры и цифровые фотокамеры являются основным ис­
точником оцифрованной р а с т р о в о й г р а ф и ч е с к о й и н ­
ф о р м а ц и и (в статической форме), приспособленной для
дальнейш ей обработки в ЭВМ.
Сканеры, классификация и устройство
Классы сканеров. Сканер — устройство для ввода графиче­
ской растровой информации в ЭВМ. С писок приложений скане­
ра очень обширен и на сегодняшний день сложились и произво­
дятся следующие разновидности этих устройств (рис. 4.6):
• высококачественные барабанные сканеры, которые спо­
собны обрабатывать как прозрачные, так и непрозрачные
изображения — от 35-мм пленок до материалов размером
16 футов на 20 дю ймов с высоким (свыше 10 ООО тнд) раз­
решением;
• планшетные настольные сканеры универсального назна­
чения;
• компактные сканеры документов, предназначенные ис­
ключительно для оптического считывания и распознавания
потоков документов;
• специальные фотосканеры, которые работают, перемещая
фотографию относительно неподвижного источника света;
• сканеры слайдов или негативов, работающие с прозрачны ­
ми изображениями;
а
б
в
г
Рис. 4.6. Некоторые образцы сканеров:
а — планшетный (flatbed) сканер Epson Perfection 3490; б — сканер документов
(pass-through scanner) Kodak i30; в — сканер кинофильмов (35 mm film scanner)
Nikon Coolscan 5000 ED; г — ручной сканер Mustek
256
Глава 4 . Периферийные устройства ввода-вывода..
• ручные сканеры для использования на небольшом про­
странстве стола.
Однако планшетные сканеры — наиболее универсальные и
популярные изделия. Они способны снимать цветовые изобра­
жения, документы, страницы из книг и журналов, а также про­
зрачные фотопленки.
Датчики сканеров
Датчик изображения обычно реализуется по одной из трех
технологий:
• ф отоэлектронный умножитель (ФЭУ, или photomultiplier
tube — РМ Т) — технология, унаследованная от барабанных
сканеров;
• прибор с зарядовой связью (ПЗС или charge-coupled device —
CCD), — датчик, типичный для настольных сканеров;
• контактный сенсор изображения (contact image sensor —
CIS) — более современная технология, которая интегриру­
ет ф ункции и позволяет создавать сканеры более компакт­
ных конструкций.
Технология фотоэлектронных умножителей. ФЭУ — техноло­
гия датчиков высокопроизводительных цветных барабанных ска­
неров, которые используются обычно для подготовки матриц
цветной полиграфии. Дорогостоящие и тяжелые в обслужива­
нии, они были основными устройствами ввода изображений в
ЭВМ до появления настольных сканеров.
Оригинал изображения здесь тщательно закрепляется на ц и ­
линдрическом барабане, который начинает вращаться с высокой
скоростью. Каретка с датчиками и осветителями начинает пере­
мещаться вдоль изображения. Управлять разрешением или раз­
мером изображения можно, подбирая скорость движения карет­
ки, оптическую силу линз и радиус барабана.
Ф ЭУ-сканеры имеют два источника освещ ения, один для
сканирования в отраженном свете, другой — для прозрачных
оригиналов. Свет подсветки расщепляется на три луча, которые
проходят через светофильтры (красный, зеленый и синий), а за­
тем попадают на трубку фотоумножителя, где световая энергия
преобразуется в электрический сигнал. Ф ЭУ-сканеры имеют н а­
много более высокую светочувствительность и более низкий
уровень шума, чем сканеры П ЗС, и, следовательно, способны к
4 .2 . Сканеры и фотокамеры
257
Подача каретки
Рис. 4.7. Схема ф ункционирования барабанного сканера
хорошей передачей тонов, будучи менее восприимчивыми к
ошибкам в преломлении или фокусировке света, чем их план­
шетные коллеги (рис. 4.7).
Однако барабанные сканеры медленнее и дороже, чем скане­
ры с ПЗС. В настоящее время они обычно используются только
в специализированных высокопроизводительных приложениях.
Прибор с зарядовой связью (ПЗС). Технология прибора с заря­
довой связью , которая лежит в основе планшетных сканеров, ис­
пользуется также в таких устройствах, как телефаксы и цифровые
камеры. Изображение помещается перед кареткой, которая со­
стоит из источника освещ ения и массива датчиков (рис. 4.8).
Свет от трубки поступает на датчики, которые считывают опти-
Рис. 4.8. Устройство и функционирование типового планшетного сканера:
/ — оригинал; 2 — источник света; 3 — неподвижное зеркало; 4 — движущееся
зеркало; J — линза; 6 — линейка ПЗС; 7 — на АЦП и выход
17-
1814
258
Глава 4. Периферийные устройства ввода-вывода..
ческие данные (например, П ЗС ), затем проходит призмы, линзы
и другие оптические компоненты. Подобно линзам очков или лу­
пам, эти элементы могут весьма различаться по качеству. Высо­
кокачественный сканер использует точную, просветленную о п ­
тику со светофильтрами исправления цвета, изготовленную из
стекла, в то время как в дешевых моделях применяю тся пласт­
массовые компоненты.
Головка устанавливается на каретке, которая перемещается
вдоль оригинала изображения. Хотя движение кажется непре­
рывным, перемещение происходит дискретными шагами (в доли
дю йма), и в каждой паузе осуществляется считывание инф орма­
ции. В случае планшетного сканера головка управляется ш а г о ­
в ы м д в и г а т е л е м — устройством, которое поворачивает ось
в точности на заданный угол каждый раз, когда подан электри­
ческий импульс.
Интенсивность света, отраженного или прошедшего сквозь
изображение и собранного датчиком, преобразуется в напряж е­
ние, пропорциональное световой интенсивности. Преобразова­
ние аналог-код — процесс, чувствительный к электрическим п о ­
мехам и шумам в системе. Чтобы сохранить изображения, лучшие
сканеры используют электрически изолированны й конвертер
аналог-код, удаленный от основной схемы сканера. Однако эта
конструкция недешева, поэтому в более простых моделях конвер­
тер встроен в основную монтажную схему сканера.
Контактный сенсор (CIS). Это относительно новая техноло­
гия датчиков, которая начала появляться на рынке планшетных
сканеров в конце 1990-х гг. Сканеры этой системы используют
компактны е банки красных, зеленых и синих светодиодов в со­
четании с линейкой датчиков П ЗС, помещ енных чрезвычайно
близко к исходному изображению. В результате получен сканер,
который меньше, легче, дешевле и экономичнее чем, традици­
онное устройство на основе П ЗС , однако эта технология еще да­
лека от совершенства.
Показатели эффективности сканера
Рассмотрим основные характеристики изображений, процес­
сов их создания и обработки. Механизм датчика — не единст­
венный фактор, который задает эффективность сканера. С ле­
4 .2 . Сканеры и фотокамеры
259
дующие показатели являются важными аспектами специф ика­
ции устройства:
• разрешающая способность;
• разрядная глубина;
• .динамический диапазон.
Разрешающая способность сканера. Разрешающая способ­
ность описывает точность устройства и обычно измеряется в
точках на дюйм (тнд) или ppi (points per inch). Средняя разре­
шающая способность недорогого настольного сканера в конце
1990-х гг. составляла 300 х 300.
Типичный планш етный сканер использует элемент П ЗС для
каждого пикселя, так что например, для настольного сканера,
имеющего горизонтальную оптическую разрешающую способ­
ность 600 тнд и максимальную ширину документа 8,5", требуется
массив из 5100 (5100 = 600 х 8,5) элементов в линейке П ЗС (см.
рис. 1.24).
Число физических элементов в линейке определяет интервал
дискретизации направления X, а количество остановок на дюйм
задает дискретизацию направления Y. Хотя они обычно упоми­
наются как «разрешающая способность» сканера, термин не
вполне точен. Разрешающая способность (возможность сканера
выявить все подробности изображения) определяется качеством
электроники, оптики, фильтров и моторного привода, а также
частотой дискретизации (оцифровки).
К концу 1998 г. максимальная плотность элементов П ЗС в
линейке составляла 600 на 1 дюйм. Однако видимая разреш аю ­
щая способность может быть увеличена, используя методику,
известную как интерполяция, которая заключается в программ­
ном или аппаратном вычислении промежуточных значений сиг­
нала, после чего они вставляются между реальными данными.
Рассмотрим, как можно было бы оценить требования к раз­
реш ению сканеров, в зависимости от качества выходного изо­
бражения.
Ц в е т н а я п о л и г р а ф и я . Здесь оборудование, воспроиз­
водящее различные уровни цвета, использует метод, именуемый
обработкой полутонов. Наборные устройства, используемые в
офсетной печати — технологии печати глянцевых журналов —
способны к выводу 133 строк/дю йм. Как показывает опыт, для
получения качественной печати разреш ение сканера должно
быть в 1,5 раза выше, т. е. около 200 тнд.
260
Глава 4 . Периферийные устройства ввода-вывода..
В ы в о д н а с т р у й н ы й п р и н т е р . При сканировании для
последующего вывода на принтер разрешающая способность
сканера должна соответствовать разрешающей способности вы ­
вода настолько близко, насколько возможно, принимая во вн и ­
мание относительные размеры оригинала и выходного изображе­
ния. Если они одинаковы, никакой корректировки не требуется.
Если, однако, выходное изображение должно быть напечатано в,
ином формате (большем или меньшем чем оригинал), разреше­
ние сканера должно быть соответственно откорректировано.
Предположим, необходимо отсканированную почтовую мар­
ку размера 1 х 1,5" напечатать на струйном принтере, который
имеет разреш ение печати 600 тнд, причем изображение должно
быть увеличено, и составить в размере 2 х 3". Если бы марка ска­
нировалась при разреш ении 600 тнд, отсканированное изобра­
жение имело бы 600 пикселей по вертикали ( I м умножить
на 600) и 900 пикселей по горизонтали (1,5" умножить на 600).
Увеличение изображения до размера, предназначенного для пе­
чати (2 х 3"), уменьшает фактическую разрешающую способ­
ность до 300 тнд (900/3 = 300, поскольку 900 горизонтальных
пикселей будут расположены в 3"), и так же в вертикальном из­
мерении. Это только половина разрешающей способности прин­
тера, и качество вывода будет ниже оптимального. Для лучшего
качества напечатанного изображения, которое фактически ис­
пользует 600 тнд, сканирование следует проводить при 1200 тнд.
В ы в о д н а м о н и т о р . Сходные расчеты можно сделать
также, если размер выводимого образа меньш е, чем оригинал.
Предположим, необходимо отсканировать фотографию разме­
ром 4 х 5", которая будет отображена на W eb-странице в поло­
винном размере — 2 х 2,5". Компьютерные мониторы обычно
имеют разрешающую способность 72 или 90 тнд. Сканирование
фотографии при 72 тнд дает изображение размером в 288 х 360
пикселей. Сокращ ение этого размера в 2 раза давало бы изобра­
жение с вертикальной разрешающей способностью 144 тнд, что
вдвое больше необходимой. В этом примере оригинальное изо­
бражение могло быть отсканировано при 36 тнд без потери каче­
ства результирующего изображения.
Соотнош ения, используемые в этих примерах, описываются
следующей формулой:
S R = ( D R x DW) / OW,
где SR — идеальное разреш ение сканера, тнд;
4 .2 . Сканеры и фотокамеры
261
DR — разрешение устройства вывода, тнд;
D W — ширина, с которой изображение будет напечатано или
отображено, дюймы;
O W — ш ирина сканируемого оригинала, дюймы.
Цветовые сканеры
Головки некоторых цветовых сканеров содержат единствен­
ную флюоресцентную трубку с тремя П ЗС , которые снабжены
цветными фильтрами, в то время как другие имеют три цветных
трубки и единственный блок П ЗС. Первые производят полное
цветовое изображение за единственный проход, в то время как
вторые — за три прохода. С конца 1990-х гг. однопроходные уст­
ройства составляют большинство цветовых сканеров.
Эти сканеры используют один из двух методов — либо рас­
щепление луча, либо П ЗС с цветовыми фильтрами. В первой
конструкции свет, проходящий через призму, разделяется на три
первичных цвета, каждый из которых считывается соответствую­
щими П ЗС . Этот метод считается наилучшим для обработки от­
раженного света, но для снижения затрат многие изготовители
используют три массива П ЗС , каждый из которых покрыт
фильтрующей пленкой так, чтобы он воспринимал только один
из первичных цветов. Будучи технически менее точным, этот м е­
тод обычно производит результаты, которые трудно отличить от
таковых для сканера с расщеплением луча.
Разрядная глубина. Разрядная (битовая, цветовая) глубина
сканера характеризует количество информации, содержащейся в
одном пикселе выходного образа. Самый простой сканер (чер­
но-белый сканер на 1 бит) использует для представления каждо­
го пикселя «1» или «0». Чтобы воспроизвести полутона между
черным и белым, сканер должен иметь хотя бы 4 бита (для
16 = 24 полутонов) или 8 бит (для 256 = 28 полутонов) на каждый
пиксель.
Самые современные цветовые сканеры поддерживают не ме­
нее 24 бита, что означает ф иксацию 8 бит информации по каж ­
дому из первичных цветов (красный, синий, зеленый). Устрой­
ство на 24 бита может теоретически фиксировать более чем
16 млн различных цветов, хотя практически это число намного
меньше. Это почти фотографическое качество и упоминается
262
Глава 4. Периферийные устройства ввода-вывода..
поэтому обычно как «полноцветное» сканирование (true colour
scanning).
В последнее время все более увеличивающийся список изго­
товителей предлагает сканеры с разрядной глубиной на 36 или
30 битов. Хотя пока немногие прикладные программы м аш ин­
ной графики способны к обработке изображений с глубиной бо­
лее чем 24 бита, этот избыток разреш ения позволяет осуществ­
лять полезные операции по редактированию графики как в
драйверах, так и в приложениях.
Динамический диапазон. Д инамический диапазон по своей
сути подобен разрядной глубине, которая описывает цветовой
диапазон сканера, и определяется как функционированием АЦП
сканера, так и чистотой света, качеством цветных фильтров и
уровнем любых помех в системе.
Д инамический диапазон измеряется в ш кале от 0,0 (абсо­
лютно белый) до 4,0 (абсолютно черный), и единственное чис­
ло, данное для конкретного сканера, говорит, сколько оттенков
модуль может различить. Большинство цветных планшетных
сканеров с трудом воспринимает тонкие различия между тем ­
ными и светлыми цветами на обоих концах диапазона и имеет
динамический диапазон около 2,4. Это конечно, немного, но
обычно достаточно для проектов, где идеальный цвет не сам о­
цель. Для получения большего динамического диапазона следу­
ет использовать цветовой планшетный сканер высшего качества
с увеличенной разрядной глубиной и улучшенной оптикой. Эти
высокопроизводительные модули обычно обеспечивают дина­
мический диапазон между 2,8 и 3,2 и хорошо подходят для
большинства приложений, требующих высококачественный
цвет (например, офсетная печать). Наиболее близко к пределу
динамического диапазона позволяют подойти барабанные ска­
неры, часто обеспечивающие значения от 3,0 до 3,8.
Теоретически сканер на 24 бита предлагает диапазон 8 бит
(256 уровней) для каждого первичного цвета, и различие между
двумя из 256 уровней обычно не воспринимается человеческим
глазом. К сожалению, наименьш ие из значащих битов теряются
в шуме, в то время как любые тональные исправления после
сканирования еще более сужают диапазон. И м енно поэтому луч­
ше всего предварительно устанавливать любые исправления я р ­
кости и цвета на уровне драйвера сканера перед заключитель­
ным сканированием. Более дорогие сканеры с глубиной в 30 или
4 .2 . Сканеры и фотокамеры
263
36 битов имеют намного более ш ирокий диапазон, предлагая бо­
лее детализированные оттенки, и разрешают пользователю де­
лать тональные исправления, заканчиваю щ иеся приличным
24-битовым изображением. Сканер на 30 битов принимает 10
битов данных на каждый цвет, в то время как сканеры на 36 б и­
тов — по 12 битов. Драйвер сканера позволяет пользователю вы ­
брать, какие именно 24 бита из исходных 30 или 36 битов сохра­
нить, а какие — нет. Эта настройка делается путем изменения
«кривой цветовой гаммы» (G am m a Curve) и доступна при обра­
щении к Настройке тонов (Tonal A d j u s t m e n t c o n t r o l ) драй­
вера TW AIN (см. рис. 1.28).
Режимы сканирования. Среди общего разнообразия методов
представления изображения в ЭВМ наиболее распространенны­
ми являются:
• штриховая графика (line art);
• полутоновое изображение (greyscale);
• цветное изображение (colour).
Ш т р и х о в а я г р а ф и к а — наиболее простой формат. Так
как сохраняется только черно-белая информация (в компьютере
представлен черный цвет как «1» и белый как «0»), требуется
только 1 бит данных, чтобы сохранить каждую точку просмот­
ренного изображения. Ш триховая графика наиболее подходит
при сканировании чертежей или текста.
П о л у т о н о в о е и з о б р а ж е н и е . В то время как компью ­
теры могут сохранять и выдавать изображения в полутонах боль­
шинство принтеров не способно печатать различные оттенки се­
рых цветов. Они применяю т метод, названный обработкой полу­
тонов, используя точечный растр, имитирующий полутоновую
информацию.
И зображения в оттенках серого — наиболее простой метод
сохранения графики в компьютере. Человек может различить не
более 255 различных оттенков серого, что требует единственного
байта данных со значением от 0 до 255. Д анны й тип изображе­
ния составляет эквивалент черно-белой фотографии.
П о л н о ц в е т н ы е и з о б р а ж е н и я — наиболее объемные
и самые сложные, сохраняемые и обрабатываемые в П К , ис­
пользуют 24 бита (по 8 на каждый из основных цветов), чтобы
представить полный цветовой спектр.
В табл. 4.1 даются характеристики ряда сканеров.
264
Глава 4 . Периферийные устройства ввода-вывода..
Таблица 4.1. Характеристики некоторых моделей сканеров
Наименование
Некоторые особен­
ности конструкции
Скорость ска­
нирования
Оптическое
(стр./мин,
разрешение,
формата А4,
тнд
200 тнд)
Формат
документа
Интерфейс
ScanPartner Е.О. Лоток автоподачи
на 30 листов
10
50— 400
А5— А4
SCSI
ScanPartner 10с Планшетный с ав­
топодачей 50 лис­
тов, цветной
(трехпроходный)
10
100— 300
А6— А4
SCSI
ScanPartner
600с
Планшетный с ав­
топодачей 50 лис­
тов, цветной(од­
нопроходный)
14
До
6 0 0 х 1200
А6— А4
SCSI
3093GX,
3093ЕХ
Планшетный
с автоподачей
50 листов
27
200— 400
А6— А4
SCSI (GX),
видео (EX)
27
1 0 0 — 600
А6— А4
SCSI (DG),
видео (DE)
21
200— 400
3093DG,
3093DE
3096GX,
3096ЕХ
SCSI (GX),
видео (EX)
3097G,
3097Е
Планшетный с ав­
топодачей 100
листов
36
200— 400
А6— АЗ
SCSI (G),
видео (E)
3099GH+,
3099ЕН+
Ротационный,
автоподача
1000 листов
80
200— 400
А7— А4
SCSI (GH+),
видео (EH+)
2000F
Планшетный с ав­
топодачей 50 лис­
тов, цветной (од­
нопроходный)
20
100— 300
До А4
SCSI
5000F, 6000F
Планшетные
с автоподачей
100 листов
36 (5000F),
54 (6000F)
200— 400
До АЗ
SCSI
(возможен
видео)
48 (2137А),
72 (2138А)
200
До А4
Видео
(возможен
SCSI)
Copiscan 2137А, Ротационные с
2138А
автоподачей
100/500 листов,
автоматическое
Copiscan 3338А
усиление контра­
Copiscan 6338
стности (АСЕ)
Copiscan 4040D
Ротационный с
автоподачей
100 листов, АСЕ
42
200/300
До АЗ
42
200/300
До АЗ
40
200/300
До А4
Видео и SCSI
4 .2 . Сканеры и фотокамеры
265
Окончание табл. 4.1
Наименование
Некоторые особен­
ности конструкции
Copiscan 8125S, Ротационный с
8125D
автоподачей 100/
500 листов, АСЕ
P S /150S ,
PS/150D
С вакуумным
транспортом
Digital Science
55 0 0 ,7 5 0 0 ,
9500
Ременно-шаровой
привод,автопода­
ча 200 листов
Скорость ска­
Оптическое
нирования
разрешение,
(стр./мин,
тнд
формата А4,
200 тнд)
Формат
документа
Интерфейс
100
100— 400
До АЗ
150
200— 400
До АЗ
Видео
60— 240
66— 300
Длина докумен­
та до 508 мм
(5500),
до 768 мм
(7 5 00 ,95 00)
SCSI
Цифровое фото: представление и обработка
Фотографическое изображение в цифровой форме может
быть получено с помощ ью сканера и в последующем обработано
с помощью редактора изображений наподобие Photoshop. Оста­
новимся на цифровых фотокамерах.
Беспленочные (цифровые) камеры внешне очень похожи на
традиционные фотокамеры — в камерах обоих типов имеется
объектив, затвор и диафрагма. Ф актически в некоторых проф ес­
сиональных беспленочных камерах используются готовые кор­
пуса от 35-мм аппаратов N ikon, M inolta или Canon (рис. 4.9, а).
Различие же состоит во внутреннем устройстве или в способе
сохранения изображения.
В традиционных фотокамерах изображение фокусируется на
пленке, покрытой светочувствительным слоем кристаллов гало­
идного серебра. В цифровых — изображение обычно фокусиру­
ется на фоточувствительном кристалле полупроводника, назы ­
ваемом прибором с зарядовой связью (П ЗС , рис. 1.24). ПЗС
применяю тся также в сканерах, факсимильных аппаратах и ви ­
деокамерах.
К М О П (CM OS). В 1998 г. появились датчики CM OS
(complementary metal-oxide semiconductor) как альтернативная к
приборам с зарядовой связью технология снятия изображения.
П роизводственные процессы CMOS те же, что и в производстве
266
Глава 4 . Периферийные устройства ввода-вывода..
пиксель
Крышка
Ли нзы
д а
пикселей
r
порт
пикселей
г
Рис. 4.9. Общий вид цифровой камеры (а); функционирование цветовых пиксе­
лей в обычных матрицах П ЗС (б); технология ХЗ (в); пиксели переменного раз­
мера (г)
миллионов процессоров и чипов памяти во всем мире. Посколь­
ку уже существовала высокопродуктивная индустрия с сущест­
вующей инфраструктурой, чипы CMOS оказались значительно
дешевле в изготовлении, чем ПЗС. Другое преимущество состо­
ит в том, что они имеют значительно более низкие требования к
мощности, чем ПЗС. Если последние имеют только одну ф унк­
цию — регистрации, то КМ О П может быть загружен рядом дру­
гих задач — аналого-цифровое преобразование, обработка сиг­
налов, баланс белого цвета, управление камерой и пр.
ХЗ. Весьма перспективным является расширение CM OS —
технология ХЗ, предложенная в 2002 г. Foveon Corporation.
В обычных цифровых системах фильтры цвета применены к
единственному слою фотодатчиков, расположенных в мозаичном
порядке. Фильтры позволяют только одной длине волны света —
красный, зеленый или синий — проходить к любому данному
4 .2 . Сканеры и фотокамеры
267
пикселю, позволяя записать только один цвет. В результате, т и ­
пичные мозаичные датчики улавливают только 50 % зеленых и
25 % синих или красных падающих лучей. Подход имеет неустра­
нимые недостатки, независимо от того, сколько пикселей мог бы
содержать датчик изображения. Так как они фиксируют только
часть светового потока, приходится осуществлять дополнитель­
ную обработку, чтобы интерполировать две трети, которые они
теряют. Это замедляет скорость получения изображения, а и н ­
терполяция ведет к цветовым артефактам и потере четкости изо­
бражения. Некоторые камеры даже преднамеренно размывают
изображения, чтобы уменьш ить цветовые артефакты.
Датчик изображения CMOS Foveon Corporation использует
технологию ХЗ и позволяет фиксировать информацию в 3 раза
быстрее, чем обычные цифровые камеры при сохранении разре­
шающих способностей. Это достигается использованием трех
слоев фотодатчиков, внедренных в кремний. Уровни располож е­
ны так, чтобы использовать тот факт, что кремний поглощает
лучи света различной длины волны на различных глубинах, так
что один слой регистрирует красные, другой зеленые и остав­
шийся — синие лучи. Это означает, что для каждого пикселя на
датчике изображения Foveon ХЗ, фактически имеется стек трех
фотодатчиков (рис. 4.9, в).
Технология ХЗ не только ведет к лучшим изображениям, но
также и лучшим камерам. Ф актически, это открывает возмож­
ность построения нового поколения устройств, стирающих сущ е­
ствующую грань между фотографией и цифровым видео, не ж ерт­
вуя качеством. Поскольку датчики ХЗ фиксируют полный цвет
в каждом местоположении пикселя, эти пиксели могут группиро­
ваться, чтобы создать большие, полноцветовые суперпиксели.
Эта возможность, названная «пиксели переменных размеров»
(Variable Pixel Sizing — VPS). В этом случае сигналы от группы
пикселей могут быть объединены так, что камера будет рассмат­
ривать ее как один пиксель (рис. 4.9, г). Например, датчик и зо­
бражения 2300 х 1500 содержит более 3,4 млн пикселей, но при
использовании VPS, чтобы сгруппировать их в блоки 4 x 4 , датчик
изображения приобретает размерность 575 х 375 пикселей, каж ­
дый из которых в 16 раз больше, чем исходный. Размеры группы
пикселей являются переменными — 2 x 2 , 4 x 4 , 3 x 5 , и т. д.,
и управляются электронной схемой, интегрированной в датчики
изображения Foveon ХЗ.
268
Глава 4 . Периферийные устройства ввода-вывода..
Группировка пикселей
увеличивает отношение
«сиг­
н а л -ш у м » , что позволяет делать полноцветные снимки при низ­
ком освещ ении с уменьш енным шумом. И спользование VPS для
уменьш ения разрешающей способности также позволяет датчику
работать при высоких скоростях передачи кадров. Технология
VPS позволяет создавать комбинированные устройства, совме­
щающие цифровое фото (высокая разрешаю щая способность,
относительно медленная обработка инф ормации) и цифровое ви­
део (высокая скорость при более низком разреш ении); по оцен­
кам, изменение параметров может достигать 50 раз.
В то время как обычные датчики изображения CMOS изго­
товлялись, используя 0,35- или 0,50-мкм технологии, и счита­
лось, что следующий шаг — 0,25-мкм, датчик CMOS Foveon
Corporation ХЗ содержит 16,8 млн пикселей (4096 х 4096), имеет
размер 22 х 22 мм и выполняется по 0,18-мкм технологии.
Качество изображения. Качество цифровой камеры зависит от
многих факторов, включая оптическое качество линзы , матрицы
съемки изображения, алгоритмов сжатия и других компонентов.
Однако, самый важный детерминант качества изображения —
разрешающая способность матрицы П ЗС — чем больше элем ен­
тов, тем выше разрешающая способность, и таким образом может
быть зафиксировано больше подробностей изображения.
В 1997 г. типичная разрешаю щая способность цифровых ка­
мер была 640 х 480 = 307 тыс. пикселей, год спустя появились
«камеры мегапикселя», что подразумевало, что за те же деньги
можно было приобрести модель на 1024 х 768 или даже
1280 х 960= 1,22 млн. К началу 1999 г. разрешающие способно­
сти дош ли до 1536 х 1024 и в середине этого же года был преодо­
лен барьер 2 мегапикселей с появлением разрешающей способ­
ности 1800 х 1200 = 2,16 млн. Год спустя — барьер 3 мегапик­
селей (2048 x 1536 = 3,15 млн пикселей). Первая камера с
4 мегапикселями появилась в середине 2001 г., обеспечивая
2240 х 1860 = 4,16 млн пикселей.
Однако даже датчик Foveon ХЗ (4096 х 4096 = 16,8 млн пик­
селей) все же не перекрывает возможностей обычной фотоплен­
ки. Поскольку высококачественные линзы объективов обеспечи­
вают разреш ение по крайней мере 200 точек на 1 мм, негативная
пленка стандарта 100ASA ш ириной 35 мм и размером кадра
24 х 36 мм обеспечит разреш ение 24 х 200 х 36 х 200 = 34,56 млн
пикселей, что все еще недостижимо для цифровых камер.
4 .3 . Плоттеры (графопостроители)
269
Тем не менее основное преимущество цифровых фотокамер
по сравнению с обычными состоит в том, что они позволяют н е­
медленно воспроизвести изображение на телевизионном прием­
нике или мониторе компьютера, распечатать его на цветном
принтере, записать на видеомагнитофон или передать в телеви­
зионную сеть.
Цифровые камеры — автоматические устройства, не требую­
щие ручной настройки. Загрузка изображений в П К не вызывает
затруднений и требует только подключения соединительного к а­
беля к камере и порту компьютера, открытия файлов поставляе­
мого с фотокамерой программного обеспечения и выбора изобра­
жений, которые будут автоматически переданы и запомнены на
жестком диске. Кроме того, запись изображений может осущест­
вляться на ф лэш -память (карты Com pactFlash или SmartM edia).
Существенное различие между беспленочными и обычными
камерами состоит в задержке длительностью несколько секунд,
которая требуется камере для фиксации изображения, его преоб­
разования, сжатия и сохранения в цифровом виде.
В отличие от пленочных, каждая из цифровых камер позво­
ляет стереть последний отснятый кадр. Чтобы не занимать п а­
мять каким-либо неудачным снимком, можно удалять несколько
кадров вразбивку. Во всех камерах предусмотрен также меха­
низм защиты, предохраняющий от случайного стирания отсня­
тых кадров, хранящихся в памяти камеры. Еще одна важная осо­
бенность заключается в программном обеспечении, поставляе­
мом вместе с камерой. Во многих случаях в состав ПО входят
небольшие прикладные программы, позволяющие кадрировать,
поворачивать и корректировать изображения без необходимости
импортировать их в более сложные программы редактирования
(например, Adobe Photoshop). При наличии у камеры средств
цифрового входа и видеовыхода можно загрузить деловую пре­
зентацию в ее память и затем воспроизвести ее на телевизион­
ном приемнике.
4 .3 . Плоттеры (графопостроители)
Задача вывода информации, представленной в графической
форме, возникла одновременно с появлением компьютерных
вычислений, и ее реш ение — одна из основных целей вы числи­
270
Глава 4 . Периферийные устройства ввода-вывода..
тельных средств, применяемых в системах автоматизации проек­
тирования (САПР). Устройства, выполняющие ф ункции вывода
графической информации на бумажные и некоторые другие
типы носителей, называются г р а ф о п о с т р о и т е л я м и , или
п л о т т е р а м и (от англ. plotter) — термин, который, как и м но­
гие другие транслитерированные англоязычные термины, вытес­
нил свой русскоязычный аналог.
Плоттеры, в отличие от принтеров, исторически ориентиро­
вались на вывод информации в в е к т о р н о й ф о р м е (короче
говоря, на вычерчивание изображения с помощ ью движущегося
пера или на движущейся бумаге). Эти технологии существуют и
сейчас, более того, появились плоттеры, осуществляющие грави­
ровку изображения. Однако ш ирокое распространение получили
и плоттеры с растровым выводом, технология которого родст­
венна принтерной.
Перьевые плоттеры (ПП — pen p lo tte r) и их разновидности
Перьевые плоттеры — это электромеханические устройства
векторного типа. На ПП традиционно выводят графические изо­
бражения различные векторные программные системы наподо­
бие AutoCAD. П П создают изображение с помощью пишущих
элементов, обобщ енно называемых перьями, хотя используются
несколько видов таких элементов, отличающихся друг от друга
видом жидкого красителя. Различают одноразовые и многоразо­
вые (допускающие перезарядку) пишущие элементы. Перо кре­
пится в держателе пишущего узла, который имеет одну или две
степени свободы перемещения.
Существует два типа ПП : планшетные, в которых бумага не­
подвижна, а перо перемещается по всей плоскости изображе­
ния, и барабанные (или рулонные ), в которых перо перемеща­
ется вдоль одной оси координат, а бумага — вдоль другой за
счет захвата транспортным валом, обычно ф рикционны м . П е­
ремещения выполняются посредством шаговых (в подавляю­
щем большинстве плоттеров) или линейных электродвигателей,
создающих довольно большой шум. Хотя точность вывода ин­
формации барабанными плоттерами несколько ниже, чем план­
шетными, она удовлетворяет требованиям большинства задач.
Эти плоттеры более компактны и могут автоматически отрезать
от рулона лист необходимого размера, что определило их доми­
4 .3 . Плоттеры (графопостроители)
271
нирование на рынке больших П П (П П формата АЗ обычно
планшетные).
Отличительной особенностью П П являются высокое качест­
во получаемого изображения и хорошая цветопередача при ис­
пользовании цветных пишущих элементов. Однако скорость вы ­
вода’информации в П П невысока, несмотря на все более быст­
рую механику и попытки оптимизации процедуры рисования;
существует и проблема подбора пары носитель—чернила.
Карандашно-перьевые плоттеры (К П П , pen/pencil) — разно­
видность перьевых — отличаются возможностью установки спе­
циализированного пишущего узла с цанговым механизмом для
использования обычных карандашных грифелей, который обес­
печивает постоянное усилие нажима грифеля на бумагу и его ав­
топодачу при истачивании. В результате не требуется постоянно
следить за процессом вывода информации, как при эксплуатации
П П , в которых может засоряться канал истечения красителя.
Дополнительные преимущества карандаш ной технологии:
• карандаш ный грифель не высыхает, и карандаш пиш ет на
любой скорости (при использовании жидких красителей
необходимо учитывать время их вытекания из пера и время
высыхания);
• карандаш позволяет рисовать на любых бумажных носителях,
в том числе и не очень высокого качества; при этом изобра­
жения качественны, дают хорошие оттиски при копировании
и в то же время их можно корректировать ластиком;
• грифели легко приобрести, значительно экономя расход­
ные материалы.
ПП и К П П особенно привлекательны для тех, кому важнее
качество, нежели количество изображений, и кто имеет скром ­
ный бюджет.
Все остальные типы плоттеров образуют изображения на но­
сителе информации, используя различные физические процес­
сы, в частности прибегая к дискретному (растровому) способу
его создания.
Струйные плоттеры (СП — ink-jet p lo tte r)
Струйная технология была описана выше, здесь же отметим
лиш ь, что приемлемая цена, высокое качество и большие воз­
можности делают СП серьезным конкурентом перьевых уст­
272
Глава 4 . Периферийные устройства ввода-вывода..
ройств. Спрос на СП со стороны пользователей, работающих с
настольными издательскими системами и СА ПР, выпускающих
сложные чертежи формата АО, растет, однако невысокая ско­
рость вывода графической инф ормации и выцветание со време­
нем полученного цветного изображения без принятия специ­
альных мер (использования ламинирования или специальной
«самоламинирующейся» бумаги) несколько ограничивает их
применение.
Электростатические плоттеры (ЭП — electrostatic p lo tte r)
Электростатическая технология основывается на создании
скрытого электрического изображения (потенциального рельефа)
на поверхности носителя — специальной электростатической
бумаги, рабочая поверхность которой покрыта тонким слоем д и ­
электрика, а основа пропитана гидрофильными солями для
обеспечения требуемых влажности и электропроводности. П о­
тенциальный рельеф формируется при осаждении на поверх­
ность диэлектрика свободных зарядов, образующихся при пода­
че на тончайш ие электроды записываю щей головки вы соко­
вольтных импульсов.
Когда бумага проходит через проявляю щ ий узел с жидким
намагниченным тонером, частицы тонера притягиваются к за­
ряженным участкам бумаги. Полная цветовая гамма получается
за четыре цикла создания скрытого изображения и прохода но­
сителя через четыре проявляю щих узла с соответствующими то­
нерами.
Электростатические плоттеры можно было бы считать иде­
альными устройствами, если бы не необходимость поддержания
стабильных температуры и влажности в помещ ении, необходи­
мость тщательного обслуживания и относительно высокая стои­
мость.
Для достижения максимальной эффективности ЭП обычно
работают в качестве сетевых устройств и для этого снабжены
адаптерами сетевого интерфейса. Немаловажны также высокая
устойчивость изображения к воздействию ультрафиолетовых лу­
чей и невысокая стоимость электростатической бумаги (на уров­
не высококачественной типографской). ЭП применяю т при вы­
сокой степени автоматизации проектных работ в крупных орга­
низациях и в геоинформационных системах (ГИ С).
4 .3 . Плоттеры (графопостроители)
273
Плоттеры прямого вывода изображения
(ППВИ — direct imaging p lo tte r)
Изображение в П П В И создается на т е р м о б у м а г е (про­
питанной теплочувствительным веществом) длинной (на всю
ширину плоттера) «гребенкой» миниатюрных нагревателей. Тер­
мобумага, которая обычно подается с рулона, движется вдоль
«гребенки» и меняет цвет в местах нагрева. Изображение полу­
чается высококачественным (разрешение до 800 тнд), однако,
только монохромным.
В последнее время цены на термобумагу снижаются, недос­
татки, в прошлом присущие ей (чувствительность к изменениям
температуры окружающей среды и низкая контрастность изобра­
ж ения), устраняются, а типы термоносителей включают в себя
стандартную белую бумагу, кальку и полиэфирную пленку. К а­
чество этих носителей удовлетворяет самым строгим архивным
требованиям.
Учитывая высокую надежность П П В И , производительность
(может достигать 50 листов формата АО в день) и низкие эк с­
плуатационные затраты, их применяю т в крупных проектных ор­
ганизациях для вывода проверочных копий.
Плоттеры на основе термопередачи
(ПТП — therm al transfer p lo tte r)
Отличие этих плоттеров от П П ВИ состоит в том, что в них
между термонагревателями и бумагой (или прозрачной пленкой)
размещается «донорный цветоноситель» — тонкая, толщиной
5—10 мкм, лента (например, лавсановая), обращенная к бумаге
красящ им слоем, выполненным на восковой основе с низкой
(менее 100 °С) температурой плавления.
Н а донорной ленте последовательно нанесены области каж ­
дого из основных цветов размером, соответствующим листу ис­
пользуемого формата. В процессе вывода информации бумаж­
ный лист с наложенной на него донорной лентой проходит под
печатающей головкой, которая состоит из тысяч мельчайших на­
гревательных элементов. Воск в местах нагрева расплавляется, и
пигмент остается на листе. За проход наносится один цвет и
изображение получается за четыре прохода. Таким образом, на
каждый лист цветного изображения затрачивается в 4 раза боль­
ше красящей ленты, чем на лист монохромного.
1 8 - 1814
274
Глава 4. Периферийные устройства ввода-вывода..
Лазерные/светодиодные плоттеры
(ЛП — laser/LED p lo tte r)
Данны е плоттеры базируются на электрографической техно­
логии, в основе которой находятся физические процессы внут­
реннего ф отоэффекта в светочувствительных полупроводнико­
вых слоях селеносодержащих материалов и силовое воздействие
электростатического поля. Промежуточный носитель изображе­
ния (вращ ающ ийся селеновый барабан) заряжается в темноте до
потенциала в сотни вольт. Луч света снимает этот заряд, созда­
вая скрытое электростатическое изображение, которое притяги­
вает мелкодисперсный тонер, переносимый затем механическим
путем на бумагу. Бумага с нанесенны м тонером проходит через
нагреватель и в результате этого частицы тонера запекаются,
создавая изображение.
Чтобы избежать сложностей с оптикой и сделать систему
проще, легче и надежнее, переш ли к применению линеек точеч­
ных полупроводниковых светодиодов (LED).
Лазерные и LED -плоттеры ввиду высокого быстродействия
(лист формата А1 выводится менее чем за полминуты) удобно
использовать как сетевые устройства, и они имеют в стандарт­
ной комплектации адаптер сетевого интерфейса. Кроме того, эти
плоттеры могут работать на обычной бумаге, что сокращает экс­
плуатационные затраты.
В табл. 4.2 содержатся основные параметры, приводимые
производителями плоттеров, а в табл. 4.3 — описания некоторых
промышленных образцов.
Таблица 4.2. Основные параметры плоттеров
Английский термин
Русский термин
Примечания
Параметры носителя и изображения
Media type
Тип носителя
Напрямую влияет на эксплуатационные расходы: чем
дороже и сложнее носитель, тем они выше
Max. media size
Максимальный
размер листа
При использовании нарезанных заранее или макси­
мальная ширина листа носителя (max. media width) при
использовании рулонного носителя больше фактиче­
ских, соответственно, размера рабочего поля носителя
(Image size) или ширины рабочего поля (image width)
Drawing size
Формат листа
Определяет максимальный стандартный формат, кото­
рый может быть вписан в размер рабочего поля
4 .3 . Плоттеры (графопостроители)
275
Продолжение табл. 4.2
Английский термин
Media length
Русский термин
Длина носителя
Для рулонных плоттеров зависит от его толщины (чем
тоньше носитель, тем он длиннее), так как допустимый
диаметр рулона ограничен. Иногда можно встретить
параметр — максимальная толщина носителя (max.
media thickness). Понятно, что малая толщина носителя
сужает возможности использования плоттера
Параметры точности
1
Mechanical
resolution
Примечания
Механическая
точность
Имеет смысл только для перьевых плоттеров и харак­
теризует то, с какой точностью их механическая систе­
ма способна позиционировать пишущий узел
Software
resolution
Программно-задаваемое разре­
шение
Определяет, с какой точностью (разрядностью) могут
кодироваться координаты в графическом файле, пере­
сылаемом плоттеру
Resolution
Разрешение
печати
Используется в растровых плоттерах и измеряется чис­
лом точек на дюйм (тнд) в зарубежным плоттерах и
числом точек на миллиметр — в отечественных
Accuracy
Точность
Соответствует только некоторым, весьма определен­
ным условиям работы плоттера. Например, примене­
ние бумаги с повышенной шероховатостью или другого
пишущего узла (отличающегося от тестового), а также
износ механики плоттера вследствие эксплуатации су­
щественно повлияют на эту характеристику
Repeatability
Повторяемость
Для перьевых плоттеров определяет точность, с кото­
рой плоттер многократно позиционирует пишущий
узел в одной и той же точке в процессе рисования
•
End point accuracy Погрешность
остановки пера
Величина погрешности позиционирования пишущего
узла перьевых плоттеров
Скоростные характеристики устройства •
Media travel speed Скорость печати, Эта характеристика присуща растровым плоттерам и
или перемеще­
обычно определяет максимально технически возмож­
ния, носителя
ную скорость печати уже подготовленной информации
Interface,
input ports
Тип интерфейса
Для высокопроизводительных плоттеров узкими мес­
тами являются процессы пересылки графической ин­
формации, поэтому это важный параметр, характери­
зующий не только то, каким образом можно подклю­
чать плоттер, но и скорость печати
Max. speed
Максимальная
скорость взаим­
ного перемеще­
ния пишущего
узла и носителя
Этот параметр, приводимый для перьевых плоттеров,
часто вводит в заблуждение. Техническая возможность
перемещать пишущий узел с большой скоростью и ре­
альная скорость рисования — это разные вещи
is*
276
Глава 4 . Периферийные устройства ввода-вывода..
Продолжение табл. 4.2
Английский термин
Русский термин
Примечания
Max. plotting
speed
Скорость
Максимальная скорость нанесения непрерывной линии
пишущим узлом
Acceleration
Ускорение
Максимальное ускорение перемещения пишущего узла
Реп response time
Скорость подъема/опускания пера
Чертежные характеристик»
Colour palette
Цветовая палитра Для цветных растровых плоттеров этот параметр ха­
рактеризует максимально возможное количество цве­
тов, с которым способен работать плоттер, но количе­
ство одновременно отображаемых цветов обычно
меньше
Area fill colours
Число цветов
однородной
заливки
Определяет количество одновременно отображаемых
цветов. Например, при цветовой палитре в 16,7 млн
цветов одновременно могут отобразиться только 8192
из них
Line types
Число типов
линий
Параметр векторной графики и определяет для некото­
рых плоттеров количество встроенных («зашитых» в
постоянной памяти или задаваемых внутренней про­
граммой) типов линий. Наличие встроенных типов ли­
ний не означает, что чертеж не может содержать боль­
шего, чем указано, числа линий, так как ряд компью­
терных программ готовит данные для вывода на
плоттер, не используя встроенные типы линий
Area fill types,
hatch types
Число штриховок Ряд перьевых и растровых плоттеров способны закра­
шивать замкнутые области путем штрихования, и этот
параметр характеризует количество встроенных (аппа­
ратно реализованных) видов штриховок. Он, как и чис­
ло типов линий, не относится к числу критичных
Pen force
Давление на пи­
шущий элемент.
Определяет применимость для данного плоттера того
или иного носителя и пишущего элемента
Pen type
Типы пишущих
элементов
Чем больше список применяемых типов пишущих эле­
ментов (а в их число могут входить фломастеры, ша­
риковые стержни и рапидографы с различными харак­
теристиками), тем проще будет найти расходные мате­
риалы для плоттера
Number of pens
Число пишущих
элементов в ка­
русели
Определяет возможное число одновременно отобра­
жаемых цветов или ширину линий на чертеже
4 .3 . Плоттеры (графопостроители)
277
Окончание табл. 4.2
Английский термин
Русский термин
Примечания
Pencil holder
Грифеледержатель
Специфический для карандашно-перьевых плоттеров
параметр. Например, если грифеледержатель имеет
бункер на несколько грифелей, то это существенно по­
вышает автономность работы плоттера
Cutting kit
Тип лезвий
Специфический для режущих плоттеров параметр. Он
аналогичен параметру типы пишущих узлов
Memory capacity,
standard buffer
size
Размеры опера­
тивной мамяти
У высокопроизводительных плоттеров с несколькими
каналами приема информации также может быть
встроенный жесткий диск, на который записывается
графическая информация
Protocol support,
standard data
formats, graphic
languages
Графические
языки, стандарт­
ные форматы
данных
Способность плоттера выводить тот или иной вид гра­
фической информации определяется соответствую­
щим программным обеспечением и набором графиче­
ских языков и форматов данных, которые интерпрети­
рует плоттер
Mean time before
failure
Наработка
на отказ
Сегодня надежность плоттеров составляет десятки ты­
сяч часов
Прочив параметры
Таблица 4.3. Примеры промышленных плоттеров
Марка
Характеристики
HP DesignJet 500 Ширина носителя 1070 мм. Ширина
Printer (24"), па­ печати 1057 мм. Разрешение
мять 16 Мбайт
600 х 1200 тнд. Макс. объем памяти
16 Мбайт. Интерфейсы LPT/USB. Се­
тевой интерфейс JetDire
Encad NovaJet
880
Формат 1067/1520 мм. Ширина пе­
чати 1055/1510 мм. Разрешение
600 х 600 тнд. Подача чернил —
двойная система непрерывной пода­
чи из емкостей по 500 мл. Объем па­
мяти 64— 256 Мбайт. Язык
PostScript. Опция (программ./апп.
RIP). Интерфейсы Centronics,
RS 232C/RS 422С, AppleTalk. Сетевой
интерфейс 10/100 Base ТХ. Произво­
дительность 5,8/12,4 мг/ч. Драйверы
ADI (AutoCAD R12-14)
Общий вид изделия
]1Ф1
~Л
/
Глава 4. Периферийные устройства ввода-вывода..
278
Окончание табл. 4.2
Марка
Roland СХ-24
САММ-1
PLOTTER/
CUTTER
Общий вид изделия
Характеристики
Макс. ширина резки 584 мм. Заправ­
ляемая ширина материала
50— 711 мм. Макс. скорость резки
40 см/с. Подача материала — фрик­
ционная. Тип ножа — флюгерный.
Система команд — CAMM-GL III (ре­
жим 1 и режим 2). Давление ножа
30— 200 г. Размер буфера 1 Мбайт.
Размеры 840 х 278 х 221 мм. Вес
14 кг. Окружающая среда: температу­
ра: 5— 40 С; влажность: 3 5 — 80 %
(без конденсата)
Г
4 .4 . Графические планшеты (дигитайзеры)
Графический планш ет (graphics tablet) — устройство ввода
векторной графической информации в ЭВМ. Устройство «план­
шет» (digitizer, дигитайзер или диджитайзер) состоит из собст­
венно планшета (участок плоской поверхности) и рисующего
прибора (курсора, стала, пера, «наводчика» — puck). При нажа­
тии на кнопку курсора его местоположение на поверхности
планшета фиксируется, а координаты передаются в компьютер.
Дигитайзер — абсолютное устройство. Для задания некото­
рой позиции на экране необходимо указателем дигитайзера вы­
брать соответствующую точку на планшете (табл. 4.4).
За каждой кнопкой как наводчика, так и пера можно закре­
пить определенные действия ( c o p y , s a v e и др.) Гибкость выпол­
нения такого назначения зависит от программируемости драйве­
ра устройства.
Часто с дигитайзером связывают управлением командами в
AutoCAD и аналогичных системах с помощью накладных меню.
Команды меню расположены в разных местах на поверхности
дигитайзера. При выборе курсором одной из них специальный
программный драйвер интерпретирует координаты указанного
места, посылая соответствующую команду на выполнение.
Для устройств рукописного ввода информации характерна
такая же схема работы, однако введенные образы букв дополни­
тельно преобразуются в коды с помощью программы распозна­
вания, а размер площадки для ввода меньше. Устройства перье­
4 .4 . Графические планшеты (дигитайзеры)
279
вого ввода инф ормации часто используются в карманных ком пь­
ютерах, в которых нет полноценной клавиатуры.
Таблица 4.4. Типы дигитайзеров
Принцип работы
Акустический
Описание
Первые устройства, в которых позиция пера,
оборудованного источником звука (микроискровой разрядник), определяется путем со­
поставления запаздывания звуковых сигна­
лов, воспринимаемых микрофонами, распо­
ложенными на планшете. Подвержены
акустическим помехам
Примеры устройств
Общее наименование —
spark tablet (искровые
планшеты)
Электромагнитный Проволочная сетка, проложенная под поверх­ RAND Tablet, известный
ностью планшета, производит слабое электро­ как Grafacon (Graphic
магнитные излучение, которое принимается
Converter), 1964 г.
пером и определяет его координаты
Пассивный курсор
Используется принцип электромагнитной ин­ Технологии фирмы
дукции. Проволочная сетка образует совокуп­ Wacom
ность «антенн», передающих и принимающих
сигналы (RAND Tablet только передает). Есть
образцы, воспринимающие силу нажима на
перо (изменение встроенной в кончик пера
емкости). Возможен бесконтактный съем ко­
ординат. Ручка может не требовать питания
Активный курсор
Ручка содержит генератор сигналов, воспри­ FinePoint Innovations
нимаемых планшетом, поэтому она требует
питания скорее, чем сам планшет. Это дает
также более четкий злектросигнал, чем в слу­
чае электромагнитной индукции
Технология «рези­
стивного сенсор­
ного экрана»
(см. рис. 5.28)
Пересекающиеся координатные провода раз­
делены тонким слоем изолятора, проводи­
мость которого изменяется под нажимом
пера. Me требует питания пера, воспринимает
как координаты, так и силу давления пера
'
Nintendo DS
Использование
• приложения компьютерной графики (особенно двумер­
ной). Много графических пакетов (например Corel Painter,
Inkscape, Photoshop, Pixel image editor, Studio Artist, The
G IM P ) способны интерпретировать давление пера (в неко­
торых случаях — наклон), изменяя такие признаки как раз­
280
Глава 4 . Периферийные устройства ввода-вывода..
мер кисти, прозрачность и окраска изображения, основы­
ваясь на данных, полученных от графического планшета;
• в Восточной Азии дигитайзеры, или планш еты для письма
(pen tablets), как они там именуются, используются в сочета­
нии с программным обеспечением наподобие IMES (Input
M ethod Editor Software), чтобы вводить рукописные китай­
ские, японские, корейские иероглифы (CJK). Технология
популярна и недорога, и компании типа Twinbridge Software
снабжаю т пользователей программами, которые не дороже
100 долл. США;
• техническое черчение (technical drawings) и системы авто­
матизированного проектирования — САПР (Com puter
Aided Design — CAD);
• наконец, это выигрышная альтернатива такому популярно­
му указующему устройству, как мышь (com puter mouse).
Принципы действия
Действие дигитайзера основан на фиксации местоположения
курсора обычно с помощью встроенной в планш ет сетки, со­
стоящей из проволочных или печатных проводников с довольно
большим расстоянием между ними (от 3 до 6 мм). Однако меха­
низм регистрации положения курсора позволяет получить точ­
ность считывания инф ормации, намного меньшую шага сетки
(до 100 линий на мм). Ш аг считывания информации называется
разрешением дигитайзера.
По физическим принципам дигитайзеры делятся на три
типа:
• электростатические (ЭС);
• электромагнитные (ЭМ );
• пьезоэлектрические (ПЭ).
В первом случае регистрируется локальное изменение элек­
трического потенциала сетки под курсором. Во втором — курсор
излучает электромагнитные волны, а сетка служит приемником.
Следует отметить, что при работе ЭМ -планш етов возможны по­
мехи со стороны излучающих устройств, в частности мониторов.
При нажатии пером в пределах рабочей поверхности П Э -планшета, под которой проложена сетка из тончайш их проводников,
на пластине пьезоэлектрика возникает разность потенциалов,
что позволяет определять координаты точки. Такие планшеты
4 .4 . Графические планшеты (дигитайзеры)
281
вообще могут не требовать специального пера и позволяют чер­
тить на рабочей поверхности планшета как на обычной чертеж­
ной доске.
Н езависимо от принципа регистрации существует погреш ­
ность в определении координат курсора, называемая точностью
дигйтайзера. Эта величина зависит от типа дигитайзера и от кон ­
струкции его компонент. На нее влияет нестабильность геомет­
рии регистрирующей сетки планшета, способность воспроизво­
дить координаты неподвижного курсора (повторяемость), устой­
чивость к разным температурным условиям (стабильность),
качество курсора, помехозащищенность и прочие факторы. Точ­
ность существующих планшетов колеблется в пределах от 0,005
до 0,03 дюйма. В среднем точность электромагнитных дигитай­
зеров выше, чем у электростатических.
Ш аг считывания регистрирующей сетки является ф изиче­
ским пределом разрешения дигитайзера. Мы говорим о пределе
разреш ения, потому что следует различать разрешение как ха­
рактеристику прибора и как программно-задаваемое разреш е­
ние, а это переменная величина в настройке дигитайзера. В спе­
циф икации на изделие всегда указываются обе характеристи­
ки — предел разреш ения, и точность (табл. 4.5).
Таблица 4.5. Характеристики дигитайзеров
Английский
термин
Русский термин
Комментарий
Surface Sizes
Размер рабочей
поверхности
Устанавливает размеры чувствительной части поверхно­
сти дигитайзера
Degrees
of freedom
Количество степе­
ней свободы
Описывает число характеристик взаимного положения
планшета и пера. Минимальное число.степеней свобо­
ды — 2 (координаты X и У положения проекции чувстви­
тельного центра пера), дополнительные степени свободы
могут включать давление, наклон пера относительно
плоскости планшета и пр.
Resolution
Разрешение
Обозначает шаг считывания дигитайзера (физическая ха­
рактеристика, она гораздо лучше, чем реально достижи­
мая точность снятия координат указующего устройства)
Accuracy
Точность
Указывает на погрешность снятия координат
Output Rate
Скорость обмена
Указывает на реальную скорость передачи координат ди­
гитайзером
Technology
Технология
Описывает физический принцип получения координат
282
Глава 4 . Периферийные устройства ввода-вывода..
Окончание табл. 4.5
Английский
термин
Русский термин
Комментарий
Save&Recall
Пользовательские
настройки
Наличие и количество сохраняемых с возможностью по­
следующего вызова настроек параметров дигитайзера
Output
Formats
Форматы данных
Обычно указывается количество различных форматов
данных, на которые можно настроить интерфейс диги­
тайзера
Surface Menu Аппаратное меню
Количество и вид аппаратно-реализованных меню на по­
верхности дигитайзера
LED's
Индикаторы
Наличие или отсутствие индикаторов, сообщающих о со­
стоянии дигитайзера
Support
Software
Программное
обеспечение
Разнообразие программного обеспечения, входящего в
состав стандартной поставки дигитайзера. Обычно его
разнообразие ни о чем не говорит. Важно удобство рабо­
ты с программой установки и настройки параметров, а
также наличие качественных драйверов для тех про­
грамм, с которыми вы собираетесь работать
Dual
Orientation
Двойная
ориентация
Возможность переключать направление осей дигитайзера
Warranty
Гарантия
Срок стандартного гарантийного обслуживания
Pen
Перо
Характеристики указующего устройства типа перо. К ха­
рактеристикам относятся число кнопок, вид чувствитель­
ности наконечника пера (нечувствительный; выключа­
тель, реагирующий на силу нажима, и т. д.), наличие или
отсутствие провода
Cursor
Курсор
Характеристики указующего устройства типа курсор: чис­
ло кнопок, наличие или отсутствие провода
Shielding
Покрытие
Наличие дополнительного покрытия поверхности диги­
тайзера
На результат работы также влияет точность действий опера­
тора. В среднем хороший оператор вносит погрешность не более
0,004 дюйма. Требования к нему достаточно высокие.
Указующее устройство
До этого момента при упоминании указующего устройства
мы называли его к у р с о р о м , хотя существует еще и п е р о
(или стило). Перья в виде ручки снабжаются одной, двумя или
4 .4 . Графические планшеты (дигитайзеры)
283
тремя кнопками. Кроме того, есть простые перья и перья, чувст­
вительные к нажиму.
Курсор. Курсоры бывают четырех-, восьми-, двенадцати- и
ш естнадцатикнопочными. Продукты некоторых производителей
являю тся исключением из правила, например, Осе Graphics до­
бавляет на большом курсоре семнадцатую, «самую главную»
кнопку. Одними из наиболее популярных являются четырехкно­
почные курсоры фирмы CalCom p — их чаще прочих ф отогра­
фируют и помещают в журналах. Здесь вторая и третья кнопки
расположены рядом, а первая и четвертая L-образной формы
обрамляют, средние. Традиционным считается ромбовидное рас­
положение кнопок, которому продолжают следовать другие из­
вестные производители. Однако для двенадцати- и ш естнадца­
тикнопочны х курсоров стандартом является «табличное» распо­
ложение кнопок (как на телефонном аппарате).
Перо. Перья производятся с одной, двумя и тремя кнопками.
Есть перья, чувствительные к нажиму, особенно привлекатель­
ные для компьютерных художников и аниматоров. Степени на­
жима ставят в соответствие толщину линии, цвет в палитре или
его оттенок. В результате можно имитировать на компьютере
процесс рисования масляными красками, темперой или акваре­
лью на специально подобранной фактуре. Для реализации этих
возможностей необходимо иметь специальное программное
обеспечение.
Удобство пера — характеристика сугубо субъективная, как и
при выборе авторучки. Некоторым нравятся легкие перья ф и р­
мы W acom, в то время как другие предпочитают более тяжелые,
но хорошо сбалансированные перья Kurta. Как курсоры, так и
перья бывают как с проводом, так и без. Беспроводной указатель
удобнее, но он должен иметь батарею питания, что утяжеляет
его и требует дополнительного обслуживания.
Исключение составляют пассивные неизлучающие перья
W acom однако они воспринимают вдвое меньше градаций наж и­
ма. П оявились модели с модифицируемыми курсорами, которые
могут работать как с внеш ним, так и со встроенным питанием.
Мышь. В качестве аксессуаров к некоторым планшетам су­
ществуют специальные мыши, при использовании которых
планш ет выступает в роли коврика. Поскольку разрешение
планшета обычно выше, чем разрешение обычной компью тер­
ной мыши, использование связки «мышь—планшет» позволяет
достичь более высокой точности при вводе.
284
Глава 4 . Периферийные устройства ввода-вывода..
Больш инство беспроводных планшетных манипуляторов вы ­
полняю т ф ункции традиционной мыши и имеют две-три кнопки
(как правило, программируемые) и колесо прокрутки, которое
может быть подпружинено, иметь ограниченный угол поворота
и программную настройку.
П ривязка к координатам планшета — свойство, присущее
всем без исключения планшетным мышам. В отличие от обыч­
ных манипуляторов того же рода, у которых «верх» и «низ» ус­
ловны и зависят от поворота руки, планшетные мыши строго
привязаны к пространственным ориентирам. Их можно вращать
вокруг оси как угодно, но «верх» для них — это всегда верх
планшета, а не их собственный.
В табл. 4.6 приведены характеристики некоторых образцов
дигитайзеров.
Таблица 4.6. Некоторые модели дигитайзеров
Марка
Характеристики
Genius G-Pen 340
Интерфейс и питание: USB. ОС: MS
Windows 98SE/ME/2000/XP. Планшет:
рабочая область 3 ' х 4‘; разрешение
2000 линий/дюйм. Перо: количество
кнопок — 2. чувствительность нажа­
тия — 1024 уровней, беспроводное.
Имеет программируемую -Hot-KEY»
зону. Кнопки пера могут работать как
кнопки обычной мыши, а также могут
быть запрограммированы соответст­
венно правой и левой кнопкам мыши
Genius G-Pen 560
Интерфейс — USB. ОС — ХР/2000,
MacOS 10.2.5. Планшет: рабочая об­
ласть 4,5* х 6'; разрешение 2000 Ipi.
Перо: две программируемые кнопки,
чувствительность нажатия — 1024
уровней, сменные насадки, питание —
батарейка ААА
Общий вив изделия
&
Genius G-Note
5000 A5, 32 Mb
Интерфейс: USB. ОС: ХР/2000. План­
шет: рабочая поверхность А5 (8‘ х 6‘),
питание — 4 батарейки ААА, 32 Мбайт
встроенной памяти позволяют сохра­
нить более 500 исписанных страниц.
Перо: сменные насадки
4 .4 . Графические планшеты (дигитайзеры )
285
Продолжение табл. 4.6
Марка
Характеристики
Wacom Graphire4, Интерфейс: USB. ОС: Windows
98SE/ME/2000/XP, Apple MacOS X
А 6 ,128 х 93 мм
10.2.8. Планшет: рабочая область A6
(128 x 93 мм рабочая область), разре­
шение 2032 строк/дюйм.
Перо: количество кнопок — 2, чувст­
вительность нажатия — 512 уровней,
беспроводное
Общий вид изделия
Bv
Hitachi T-15XL ЕМ В планшет (рабочая область А4,
Panel, А4+, 304 х 304 х 228 мм) вмонтирован мони­
228 мм, TFT, 15‘, тор — 15' LCD TFT. Размер шага —
VGA, USB, аудио
0,297 мм, максимальное разреше­
ние — 1024 х 768, цветовая палит­
ра — 18-бит (262 144 цветов), яр­
кость — 250 кд/м2, контрастность —
400:1, угол просмотра слева/справа —
60760°; угол просмотра снизу/свер­
ху — 60740°. Интерфейсы — VGA,
HD-15F, USB Тип Б. Аудиовход —
мини 3,5 мм стерео, аудиовыход —
мини 3,5 мм стерео. Адаптер пита­
ния — 220 В (перемен, ток), 50/60 Гц ,
30 Вт
Hitachi StarBoard
ВТ-1
Интерфейс: USB, Bluetooth. ОС:
Windows ХР. Планшет: рабочая об­
ласть 4.5' х 6'. разрешение 500 dpi.
Перо: количество кнопок — 1
\
1
Wacom Graphire4
Classic
\
—
Интерфейс: USB. ОС: Windows
98SE/ME/2000/XP, Apple MacOS 9.0,
Apple MacOS X 10.1.5. Планшет: рабо­
чая область А6 (128 х 93 мм), разре­
шение 2000 dpi. Перо: количество кно­
пок — 2, чувствительность нажатия —
512 уровней, беспроводное. Макси­
мальное рабочее расстояние 5 мм.
Мышь: Wacom ЕС-140, оптическая,
беспроводная. 2 кнопки, кнопка/коле­
со прокрутки
-■
286
Глава 4 . Периферийные устройства ввода-вывода.
Окончание табл. 4.6
Марка
CalComp
DrawingBoard III
Характеристики
Общий вид изделия
Серия широкоформатных дигитайзе­
ров для САПР и ГИС. Имеют модифи­
кации: со стандартной точностью
(±0,2 мм), повышенной (±0,1 мм), вы­
сокой (±0,05 мм). Модели с высокой
точностью комплектуются курсором с
подсветкой рабочей зоны. Типы указа­
телей: беспроводной 4- или 16-кнопочный курсор. Дигитайзеры по до­
полнительному заказу можно уком­
плектовать напольными подставками
различных типов. Модели формата
А4-АЗ: точность ± 0,25; разрешающая
способность 1001 линий/мм или 2540
линий/дюйм
Контрольные вопросы
1 . К а ко в пр и нц и п ф ункци они ров ани я струйного при нтера с терм ическим п р и ­
водом?
2. К а ко в пр и нц и п ф ункци они ров ани я струйного п ри нтера с пьезоприводом?
3 . Каковы разновидности устройств подачи бумаги принтеров?
4. О пиш ите в нутреннее устройство лазер н о го при нтера.
5. Каков при нц ип ф ункци они ров ани я терм опринтеров?
6. О пиш ите устройство и принципы ф ункци они ров ани я скан ер о в .
7. К а ки м и параметрами характеризую тся сканеры ?
8 . К а ки е pajHOBMflHOCfM скан еров вы знаете?
9 . K .jk o r при нц ип ф ункци они ров ани я перьевых плоттеров?
10. Какими параметрами характеризую тся плоттеры?
11.
12.
13.
14.
Каков при нц ип ф ункци они ров ани я лазерны х плоттеров?
К а ко в пр и нц и п ф ункци они ров ани я электро стати чески х дигитайзеров?
К а ко в при нц ип ф ункци они ров ани я электром агнитны х дигитайзеров?
К а ки м и парам етрам и характеризую тся дигитайзеры ?
Глава 5
МУЛЬТИМЕДИЙНЫЕ И ИНТЕРАКТИВНЫЕ
УСТРОЙСТВА
М ультимедиа-системы в своей основе представляют собой
апппаратно-программные средства интерактивного доступа к
массивам и базам данных разноформатной (мультимедийной)
инф ормации, основными среди которых являются звук, фото
(статическое изображение) и видео (динамическое изображение).
Мультимедийные системы не отрицают интеграцию с классиче­
скими видами данных — табличными и текстовыми, но основная
нагрузка при разработке мультимедийных приложений и их и с­
пользовании приходится на перечисленные основные виды.
5 .1 . Терминалы. Клавиатуры, мыши и трекболы
Понятие терминала (D TE — оконечное оборудование д ан ­
ных) в соответствии с телекоммуникационны ми стандартами от­
носится к сочетанию устройств ввода и вывода информации (на­
пример, сканер и принтер и т. п.), однако чаще всего под терм и­
налом понимается оконечное устройство ЭВМ , предназначенное
для диалога «человек—машина». Известны также более специа­
лизированны е устройства — банкоматы, кассовые аппараты со
сканерами штрих-кода и т. д.
Электронные терминалы
Ф изически электронный или видеотерминал — CRT-device
(Catode Ray Tube —устройство с электронно-лучевой трубкой),
VDU (Video Display U nit — устройство отображения инф орм а­
288
Глава 5. Мультимедийные и интерактивные устройства
ции), первоначально получивший в отечественной практике н а­
именование дисплей (см. рис. 1.20, б), представляет собой кла­
виатуру (keyboard), сопряженную с экранны м устройством
(screen). Ранние модели видеотерминалов (ВТ) не были избавле­
ны от наследия пишущих маш ин (ПМ ) — состав клавиатуры,
построчный ввод и исправление ошибок, прокручивание экрана
наподобие бумажной ленты (scrolling) и, самое главное, — сим­
вольный (алфавитно-цифровой) характер выводимой инф орма­
ции, хотя, как это хорошо известно из опыта телевидения, ника­
ких технических ограничений экран (в отличие от каретки ПМ )
не вносит. Более соверш енные ВТ, разработанные в 1980-е гг.
(IBM 3270, VT-100), во многом определили современное состоя­
ние устройств.
Клавиатура терминала. Устройство для ввода информации в
компьютер и подачи управляющих сигналов (клавиатура терм и­
нала) содержит стандартный набор клавиш печатной маш инки
и некоторые дополнительные клавиши — управляющие и ф унк­
циональные, управления курсором и малую цифровую клавиа­
туру.
Эргономические и многофункциональные клавиатуры. При дли­
тельной работе на обычных клавиатурах часто наступает такое
болезненное состояние (чаще у ж енщ ин, чем мужчин), как к и с ­
т е в о й т у н н е л ь н ы й с и н д р о м (Carpal tunnel syndrome —
CTS) когда срединный нерв сжат в запястье, симптомы которо­
го — покалывание, нечувствительность, боль, ощущения холода
и слабости в пальцах.
Хотя эргономически обоснованные клавиатуры и существо­
вали ранее, такие устройства не были широко распространенны­
ми и отличались значительной дороговизной. Представленная в
1995 г., Microsoft Natural Keyboard состояла из разделяющихся
половин, каждая из которых могла наклоняться и смещаться
вверх и вниз от центра устройства. Такая конфигурация была
специально предназначена, чтобы предотвратить кистевой тун­
нельный синдром и другие неприятные состояния, связанные с
печатанием в течение длительных периодов времени. Клавиатура
также позволяет пользователю принимать удобное положение
при работе на компьютере.
Первоначальный дизайн клавиатуры был в дальнейшем усо­
вершенствован Microsoft, включая помещение мультимедийных
пользовательских клавиш над строкой с функциональными кла­
вишами (рис. 5.1).
5 .1 . Терминалы. Клавиатуры, мыши и трекболы
289
Рис. 5.1. Эргономическая клавиатура Microsoft
М ультимедийные кнопки выполняют типичные операции —
уменьш ение и увеличение громкости звука (в микшере Windows),
пуск/пауза воспроизведения звука (стоп, трек вперед и трек н а­
зад для программных плейеров C D /D V D /M P3). Internet/о ф и с ­
ные кнопки выполняют быстрый вызов браузера, почтовой про­
граммы, поиска файлов, избранного, калькулятора, переход на
предыдущий и последующий просмотренные сайты и пр.
Беспроводные устройства ввода. Возможности подключения
переносных устройств ввода данных через беспроводные адапте­
ры существовали с начала 1990-х гг. Первой была инфракрасная
технология (И К — IR), которая, подобно дистанционным пуль­
там ТВ, требовала наличие визуальной связи.
Альтернативой являлось использование связи на радиочасто­
тах (РЧ — RF), не имевшей этого недостатка. Цифровая радио­
технология требует меньшего расхода энергии и таким образом
обеспечивает значительно более долгий срок службы аккумуля­
торов (до одного года или более при нормальной эксплуатации),
чем ИК.
.
,
В 1992 г. фирма Logitech оказалась пионером мобильных тех­
нологий, выпустив первое РЧ-устройство M ouseM an (рис. 5.2).
При использовании РЧ мышь (или клавиатура) действует как
передатчик, который посылает сигналы связанному с компьюте­
ром приемнику, расположенному в диапазоне до 2 метров. М но­
жество устройств могут функционировать в непосредственной
близости, используя различные длины волн. Устройства Logitech
оперируют в диапазоне 27 МГц. При совместном использовании
клавиатуры и мыши каждое устройство работает независимо.
Мышь связывается с приемником на полосе 27,045 МГц, тогда
как клавиатура работает на 27,145 МГц, что означает, что оба из­
делия могут использоваться одновременно.
19-
1814
290
Глава 5. Мультимедийные и интерактивные устройства
&
Рис. 5.2. Беспроводные устройства Logitech
Ряд устройств использует этот же диапазон (городское
УКВ-радио, охранные системы автомобилей, пульты управления
гаражными воротами и пр.) и могут вносить кратковременные
помехи, но не будут постоянно нарушать нормальное ф ункцио­
нирование внешних устройств ПК.
Внешние клавиатуры для карманных ПК (КПК). К 2002 г. эти
устройства были разработаны в различных дизайнах, которые
обеспечивают решение проблемы ввода данных с полной кла­
виатуры со стандартным расположением букв (рис. 5.3):
• гибкие тканевые клавиатуры, которые могут быть скатаны
или свернуты вокруг К П К (карманного П К );
• компактные, легкие клавиатуры со специальным доком для
К П К , причем некоторые предназначены для использова­
ния на плоской поверхности и позволяют печатать слепым
методом, а другие — достаточно маленькие, чтобы пом е­
щаться в одной руке при печатании другой;
• обычные клавиатуры порта PS/2, использующие специаль­
ное устройство состыковки для обеспечения связи с К П К ;
• клавиатуры, состоящие из разборных частей, так чтобы
они могли быть свернуты для транспортировки и затем со­
стыкованы вместе, образуя клавиатуру обычного размера;
• устройства, предназначенные для печатания большим
пальцем.
Впервые тканевые клавиатуры были объявлены Toshiba в
конце 2000 г. для использования в КП К и мобильных телефонах.
5.1. Терминалы. Клавиатуры, мыши и трекболы
а
291
б
Рис. 5.3. Клавиатуры с доком для К П К:
а — плоская; б —сменная, расширяю щая бесклавиатурную машину
Клавиатура ElekTex, выпущенная британской компанией
ElectroTextiles, которая может быть свернута, скручена и вымыта
без потери функциональных возможностей, комбинирует струк­
туры проводящей ткани с технологией микрочипа. Проводящие
волокна способны к легкому переключению под воздействием
давления и распознаванию позиции. Разрешающая способность
измерения позиции X и У составляет около 0,0001 % размера
ткани, а диапазон давлений — от 0,2 до 30 фунт/дю йм2.
Манипуляторы — мыши, трекболы
Манипулятор мышь. Одним из традиционных компьютерных
устройств ввода является манипулятор мышь (mouse), в ранних
советских ЭВМ фигурировавшая под названием «колобок». Этот
манипулятор наилучшим образом подходит для 'запуска про­
грамм в рамках оконны х графических интерфейсов, указания
позиции объектов на экране, несколько хуже — для рисования.
Практически невозможно (если не брать в расчет эмуляторы
клавиатуры) с помощью мыши вводить текстовые данные.
Ф ункциональное назначение клавиш (у большинства м ы ­
шей — две, а в некоторых — более трех) различно и зависит от
выполняемого приложения. Качество мыши определяется ее
разрешением, которое измеряется числом точек на дюйм, кото­
рое лежит в диапазоне от 200 до 900 тнд.
О п т и к о - м е х а н и ч е с к а я м ы ш ь . Движение шарика от­
слеживается посредством двух валиков с прорезями (горизон­
19*
292
Глава 5. Мультимедийные и интерактивные устройства
тального и вертикального) и двух оптических пар светодиод—ф о ­
тодиод (рис. 5.4, а). В результате на оптической паре создаются
импульсы, которые затем с помощью счетчиков конвертируются
в числовые величины, обозначающие степень относительного
перемещения мыши по горизонтальной и вертикальной осям.
Эти величины вместе с состоянием кнопок мыши (наж ата/отж а­
та) передаются в ПК. Для защиты обоих типов манипуляторов от
проникновения пыли и грязи сквозь окош ечко для шарика под
мышь подкладывают специальные коврики (Mouse Pad).
Камера прибора
с зарядовой связью (ПЗС)
Светодиод (СДП), использующийся
для освещ ения поверхности
а
6
Рис. 5.4. П ринцип ф ункционирования оптико-механической (а) и оптической
(б) мыши:
/ — вращающ ийся обрезиненный шарик; 2 — X- и К-ролики, снимающие коор­
динатные составляющие вращения шара; 3 — диски с просвечивающими отвер­
стиями; 4 — излучающие светодиоды; 5 — фотодиодные сенсоры, преобразую­
щие световые импульсы в координатные скорости
О б ы ч н а я о п т и ч е с к а я м ы ш ь . Первые образцы изде­
лий имели конструкцию, приведенную на рис. 5.4, б — внутри
корпуса находятся две пары светодиодов (светодиодных прибо­
ров — СДП) и фотоэлементов (фотоэлементные пары). Обычно
один из СДП излучает красный свет, а другой — инфракрасный.
Ф отоэлементы, смонтированные под определенным углом к
СДП, улавливают свет определенной частоты. Для работы с этой
мышью применяется специальный коврик, который покрыт тон­
кой сеткой, состоящей из цветных горизонтальных (синего цве­
та) и вертикальных (серого цвета) линий.
293
5.1. Терминалы. Клавиатуры, мыши и трекболы
При размещении мыши над синей линией красный свет по­
глощается, и чувствительный к нему СДП утрачивает сигнал.
Аналогично при перемещении мыши на серую линию поглощ а­
ется инфракрасный свет. При движении мыши по коврику ф о ­
тоэлементы поочередно обнаруживают соответствующие источ­
ники света, и их сигналы описывают движение в направлении
осей X или У. Эти сигналы передаются в ПК, где драйвером пре­
образуются для управления движением курсора на экране.
О п т и ч е с к и е м ы ш и , н е з а в и с и м ы е от п о в е р х н о ­
с ти . По мере удешевления производства компьютерных чипов
стало возможным встраивать в корпус мыши микросхемы, обра­
батывающие изображения, что позволяет определять направле­
ние движения относительно любой поверхности и делает необя­
зательным наличие специального коврика.
Современные оптические мыши, независимые от поверхно­
сти, используют оптоэлектронные сенсоры и СД П -освещ ение,
чтобы получать «снимки» поверхности, по которой осуществля­
ется движение (рис. 5.5, а). Например, датчик оптической мыши
Microsoft Wireless IntelliM ouse Explorer (рис. 5.5, б) был способен
к ф иксации 1500 изображений в секунду, каждое из которых со­
держит 18 х 18 пикселей, причем каждый пиксель воспринимает
64 уровня освещения. Выполняя порядка 18 млн команд в се­
кунду, цифровой обработчик сигналов идентифицирует и срав-
а
б
Рис. 5.5. Ф ункционирование поверхностно-независимой оптической мыши (а);
оптический сенсор Microsoft Wireless IntelliMouse Explorer (б):
/ — освещаемая поверхность; 2 — светодиод или лазер; 3 — линза конденсора,
4 — объектив; 5 — сенсорная панель
294
Глава 5. Мультимедийные и интерактивные устройства
нивает текстуру или другие особенности в зафиксированных
изображениях, чтобы определить движение мыши, и переводит
эти данные в координаты курсора X и У.
Вариантом данной технологии является л а з е р н а я м ы ш ь ,
типовым образцом которой было изделие MX 1000 (Logitech со­
вместно с Agilent Technologies, 2004 г.). Здесь в качестве источни­
ка вместо СДП использовался небольшой инфракрасны й лазер.
Когерентное лазерное освещ ение обеспечивает высокую контра­
стность изображения и позволяет выявить подробности структу­
ры, недостижимые при использовании СДП. Оптический датчик
осуществляет до 6000 сканирований поверхности в секунду.
Джойстик. В компьютерных играх и тренажерах широко и с­
пользуются в качестве устройства ввода джойстики (от англ. joy
stick — веселая палочка) как цифровые, так и аналоговые.
Стандартный джойстик Atari, введенный (1977 г.) в системе
Atari Video Com puter System (VCS, позднее переименовано в
Atari 2600), был цифровым джойстиком с единственной кнопкой
«огонь» и подключался через разъем последовательного порта
DB-9. Электрические специф икации этого изделия стали ф акти­
ческим стандартом для цифровых джойстиков в течение ряда
последующих лет.
Больш инство джойстиков — двумерные, имеющие две оси
перемещ ения, но есть также и трехмерные. Обычно устройство
конфигурируется так, что движение стержня-рукоятки вле­
во/вправо соответствует перемещению по оси X, а вперед/на­
зад — по оси Y. В устройствах, сконфигурированных как трех­
мерные, вращение ручки (по или против часовой стрелки) вос­
принимается как движение по оси Z.
В некоторых моделях в джойстик монтируется датчик давле­
ния — чем сильнее пользователь нажимает на ручку, тем быст­
рее движется курсор по экрану дисплея (рис. 5.6, а).
Координатный шар (трекбол). Трекбол представляет собой
небольшую коробку с ш ариком, встроенным в верхнюю часть
корпуса. Пользователь рукой вращает ш арик и соответственно
перемещает курсор. В отличие от мыши трекбол не требует сво­
бодного пространства около компьютера и может быть встроен в
корпус маш ины (рис. 5.6, б).
В табл. 5.1 приведены параметры некоторых образцов м ани­
пуляторов мышь и трекбол.
5 .1 . Терминалы. Клавиатуры, мыши и трекболы
295
крючок
Дополнительные
кнопки
«Газ»
а
б
Рис. 5.6. Дж ойстик (а) и трекбол Logitech ТгаскМап (б)
Таблица 5.1. Некоторые примеры беспроводных клавиатур, манипуляторов «мышь»
и «трекбол»
Марка
A4-Tech KBS-2350 RP
A4Tech W W T-13
Характеристики
Общий вид изделия
Беспроводный набор, интерфейс USB,
беспроводная клавиатура RSI, беспровод­
ная оптическая мышь, зарядное устройст­
во в приемнике
ШШтъ
Трекбол с двумя колесиками для про­
крутки документов и тремя кнопками,
одна из которых (кнопка для большого
пальца) может быть запрограммирована
для выполнения специальных команд.
Скорость прокрутки колеса может быть
изменена. Разрешение 520 тнд. Интер­
фейсы: PS/2, COM, Combo и USB
%
У
A4-Tech SW 0P-50Z UP, Оптическая мышь. Имеет четыре кнопки,
две из которых (Zoom-кнопки) использу­
USB+PS/2
ются для масштабирования документов,,
и одну кнопку-колесо для прокрутки до­
кументов. Разрешение 800 тнд. Интер­
фейсы: PS/2, USB
&
296
Глава 5. Мультимедийные и интерактивные устройства
Окончание табл. 5.1
Марка
Defender М 1440А UP
Характеристики
Общий вил изделия
Оптическая беспроводная мышь, исполь­
зующая радиоинтерфейс для передачи
сигнала. Мышь имеет четыре кнопки, две
из которых могут быть запрограммиро­
ваны для выполнения специальных ко­
манд, и кнопку-колесо для быстрой про­
крутки документов. 256 кодировок сигна­
ла не позволяют другим мышам
подключаться к компьютеру пользовате­
ля, а применение двух каналов позволяет
разным мышам не создавать взаимных
помех. Рабочая частота 27 МГц. Питание:
два аккумулятора AAA Ni-Mn, зарядное
устройство встроено в приемник. «Спя­
щий режим» во время простоя мыши уве­
личивает время работы аккумуляторов.
Радиус действия: 1 м от приемника. Ин­
терфейсы: PS/2, USB
A4Tech WOP-35 UP
Проводная оптическая мышь с четырьмя
обычными кнопками и двумя кнопка­
ми-колесами для горизонтальной и вер­
тикальной прокрутки документов. Боко­
вые кнопки могут быть запрограммиро­
ваны для выполнения специальных
команд. Оптический сенсор позволяет
произвести более точное позиционирова­
ние курсора. Разрешение 520 dpi. Интер­
фейс PS/2
ш
Другие указующие устройства
TouchPad — устройство ввода данных, обычно используемое
в ноутбуках, в которых управление курсором осуществляется пу­
тем слежения за движениями пальца пользователя (рис. 5.7, /) .
Панели TouchPad могут иметь различные размеры, редко превы­
шающие 20 см2 (приблизительно 3 квадратных дюйма).
TouchPad — относительное устройство, т. е. нет никакого
изоморфизма между точками на экране и на его панели, и отно­
сительное перемещение пальцев пользователя вызывает относи­
тельное движение курсора. Кнопки, расположенные ниже или
выше клавиатуры, аналогичны стандартным кнопкам мыши.
5 .1 . Терминалы. Клавиатуры, мыши и трекболы
Рис.
5.7.
Ноутбук
IBM
ThinkPad «UltraNav», оборудованный
TouchPad ( / ) и Trackpoint ( 2 )
297
указателями
В зависимости от модели устройства и драйверов нажатие и
движение по поверхности панели может интерпретироваться
различными способами. Некоторые устройства имеют «горячие
точки» или такие области, которые будут особым образом обра­
батываться драйверами. Например, перемещение пальца по пра­
вому краю панели может управлять вертикальной прокруткой
активного окна, а по нижнему — горизонтальной.
Нажатие двух пальцев на панель может интерпретироваться
как «щелчок» правой кнопкой мыши, а их перемещение по д и а­
гонали панели — как одновременные горизонтальная и верти­
кальная прокрутки (что может использоваться при просмотре
больших фотографий, W eb-страниц и т. д.).
Существует два метода конструирования панелей. В м а т ­
р и ч н о м м е т о д е используется два массива параллельных
проводников, разделенных изолирующим слоем, причем про­
водники этих слоев ориентированы ортогонально друг к другу.
Высокочастотный сигнал последовательно подается на различ­
ные пары координат в двумерной матрице, образованной этими
массивами. Ток, проходящий в цепи, пропорционален емкости,
и поскольку при помещ ении пальца в одну из точек матрицы со­
ответствующая емкость изменяется, это позволяет определить
координаты точки прикосновения.
298
Глава 5. Мультимедийные и интерактивные устройства
М е т о д е м к о с т н о г о ш у н т и р о в а н и я основан на из­
мерении вариаций емкости передатчиком и приемником, распо­
ложенных на противоположных сторонах датчика. Передатчик
создает переменное электрическое поле частоты 2—300 кГц.
Если точка заземления (палец) помещается между передатчиком,
то некоторые из силовых линий поля шунтируются, уменьшая
наблюдаемую емкость.
Pointing Stick — указующее устройство, изобретенное Тедом
Селкером (Ted Selker) и используемое под различными торговы­
ми марками (IBM как TrackPoint, Dell Latitudes как Track Stick и
пр.). В основном предназначено для ноутбуков, но может разме­
щаться на клавиатуре или корпусе мыши настольных П К, н е­
формально именуется «nipple» («сосок», «соска» и пр.).
Устройство представляет собой сменный резиновый кол­
пачок, обычно красного цвета (на машинах ThinkPad, см.
рис. 5.7, 2). На клавиатурах qw erty традиционно размещается
между клавиш ами <G>, <н> и < в > .
Устройство использует измерение приложенного усилия (ти­
пично путем изменения электрического сопротивления материа­
ла датчика). Скорость перемещ ения курсора определяется значе­
нием измеренного усилия.
Устройства версий TrackPoint III и TrackPoint IV имеют осо­
бенность, упоминаемую как «отрицательная инерция» (negative
inertia), которая заставляет курсор «слишком остро реагировать»
на ускорение или замедление движения. Тесты, проведенные
IBM , показали, что пользователю легче правильно позициони­
ровать курсор, если опция «отрицательной инерции» включена,
нежели когда она выключена.
5 .2. Графические карты (видеоадаптеры — ВА)
Под в и д е о с и с т е м о й понимается комбинация дисплея и
адаптера. М о н и т о р ( д и с п л е й ) компьютера предназначен
для вывода на экран текстовой и графической информации.
Кроме мониторов, в качестве УОИ (самостоятельно или в режи­
ме дублирования) часто используются в и д е о п р о е к т о р ы .
А д а п т е р управляет дисплеем с платы в одном из разъемов
расш ирения (в некоторых компьютерах адаптер находится на
системной плате).
5 .2 . Графические карты (видеоадаптеры)
299
Характеристики видеоадаптеров/мониторов
Разрешение — термин, относящ ийся к точности воспроизве­
дения или деталям визуального образа. Существует ряд видео­
стандартов, различающихся по степеням разрешения (табл. 5.2).
Таблица 5.2. Характеристики видеостандартов
Число бит на
Соотноше­
пиксель (цвето­
ние сторон
вая глубина)
Дата
Стандарт
1981
CGA
1984
EGA
Enhanced Graphics Adapter
640 x 350
1987
VGA
Video Graphics Array
640 x 4800
4 :3
От 4 до 18
(High color)
1990
XGA
Extended Graphics Array
1024x768
4 :3
24
(True colour)
Описание
, Colour GraphicsAdapter
Разрешение
640 x 200
200 x 160
5 :4
Нет
До 4
От 4 до 8
(256 цветов)
1995
SXGA
Super extended Graphics Array
1280 x 1024
5 :4
24
1998
UXGA
Ultra XGA
1 6 0 0 x 1200
4 :3
24
2002
WUXGA
Widescreen Ultra extended
Graphics Array
1 9 2 0 x 1200
1 6 :1 0
22
2005
QXGA
Quad extended Graphics Array
2048 x 1536
4 :3
—
2006
WQXGA
Wide Quad extended Graphics
Array
2560 x 1600
1 6 :1 0
—
QSXGA
Quad Super extended Graphics
Array
2560 x 2048
5 :4
—
3200 x 2048
.2 5 : 1 6
—
3200 x 2400
4 :3
—
3840 x 2400
16: 10
2007
WQSXGA Wide Quad Super extended
Graphics Array
QUXGA
Quad Ultra extended Graphics
Array
WQUXGA Wide Quad Ultra extended
Graphics Array
I
Недостатки первого широко распространенного адаптера
VGA привели к необходимости стандартизировать видеопрото­
колы, что и было сделано Ассоциацией видеостандартов (Video
Electronics Standards Association — VESA). Этим консорциумом
изготовителей видеоадаптеров и мониторов было предложено
семейство видеостандартов, которые обладали обратной совмес­
300
Глава 5. Мультимедийные и интерактивные устройства
тимостью с VGA, но предлагали большее разреш ение и лучшую
цветность. Д анны е стандарты (до появления семейства стандар­
тов XGA) стали известны как VESA VGA BIOS Extensions (или
Super VGA -S V G A ).
Как правило, SVGA может поддерживать палитру до
16,7 млн цветов, хотя объем видеопамяти в конкретном компью ­
тере может ограничить фактическое число отображаемых цветов.
Специф икации разрешения изображения изменяются: чем боль­
ше диагональный размер экрана монитора SVGA, тем больше
пикселей он может показать по горизонтали и вертикали. Н е­
большие мониторы SVGA (диагональ 14") обычно дают разреше­
ние 800 х 600, а самые крупные (диагональ 20” и более) могут
выводить 1280 х 1024 или даже 1600 х 1200 пикселей (рис. 5.8).
XGA был развит IBM и первоначально использовался, чтобы
описать графические адаптеры, разработанные для использоваШ и рш ы
-ж рана
Рис. 5.8. Разрешение и размеры экрана некоторых адаптеров/мониторов;
соотнош ения сторон:
/ - 1 6 : 9 ; 2 - 1 6 : 1 0 ; 3 - 3:2; 4 - 4:3; 5 - 5 : 3
5 .2 . Графические карты (видеоадаптеры)
301
ния в разъемах шины MCA, а впоследствии стал стандартом для
карт и дисплеев, способных к разреш ению до 1024 х 768 п ик­
селей.
SXGA (стандарт VESA) используется, чтобы описать размер
экрана 1280 х 1024. SXGA характеризуется необычным отнош е­
нием сторон — 5 : 4, в то время как VGA, SVGA, XGA и UXGA
традиционно придерживаются соотнош ения 4 : 3.
W UXGA — ш ирокоформатная версия UXGA, в принципе
совместимая с телевидением высокой четкости (ТВЧ или HDTV,
где структура кадра 1920 х 1080, а соотнош ение сторон 16 : 9).
Другие ш ирокоформатные стандарты WQXGA W QSXGA
W QUXGA также характеризуются соотнош ением сторон 1,5—1,6
и многие из этих мониторов используют по меньшей мере 2 и н ­
терфейса DVI, которые могут быть присоединены к одной или
двум графическим картам, или даже к двум ПК. Частота регене­
рации экрана составляет 41—48 Гц.
Рисунок 5.8 идентифицирует различные стандарты и соот­
ветствующие размеры монитора для каждого. Наклон (точнее,
котангенс угла наклона) линий 7—5 соответствует соотнош ению
сторон экрана.
Цветовая глубина. Каждый пиксель изображения на экране
создается, используя комбинацию трех различных цветовых сиг­
налов. Точное состояние каждого пикселя управляется интенсив­
ностью этих цветов и количеством информации, которая сохра­
нена о пикселе, и определяет его цветовую глубину. Чем больше
битов используются в описании пикселя («битовая глубина»),
тем более точны цветовые детали изображения. В табл. 5.3 пред­
последняя колонка характеризует цветовую глубину в различных
режимах экрана.
Режим 256 цветов использует 8 бит для каждого пикселя,
обычно 2 бита — для синего и по 3 бита — для зеленого и крас­
ного цветов. И з-за относительно низких требований к видеопа­
мяти этот режим широко используется, особенно в П К для дело­
вых приложений.
Режим High colour использует по 2 байта информации на
пиксель, занимая 5 битов для синего, 5 для красного и 6 для зе­
леного цветов. В результате достигаются 32 уровня интенсивно­
сти для синего и красного и 64 уровня для зеленого цветов при
небольшой потере качества видимого изображения, но более
низких требованиях к видеопамяти и большем быстродействии.
302
Глава 5. Мультимедийные и интерактивные устройства
Наконец, True colour использует 256 оттенков каждого из
цветов — 8 бит для каждого из трех, следовательно, всего
24 бита. Однако некоторые графические карты фактически тре­
буют 32 бита для каждого пикселя.
Компоненты графических карт
Современная графическая карта П К включает четыре глав­
ные компоненты (рис. 5.9):
• графический процессор;
• видеопамять;
• программируемы й
циф роаналоговы й
преобразователь
(П Ц А П , или random access memory digital-to-analogue con­
verter — RAMDAC);
• программное обеспечение драйвера.
Прежде чем превратиться в изображение на мониторе, дво­
ичные цифровые данные обрабатываются центральным процес­
сором и проходят к монитору в четыре этапа:
• из шины на видеосхему, где она обрабатывается (цифровая
информация);
• из видеосхемы в видеопамять, в которой будет храниться
отображение экрана (цифровая информация);
Разъемы расширения
Видео BIOS
Графический
видеопроцессор
Рис. 5.9. Схема графической карты (адаптера)
5 .2 . Графические карты (видеоадаптеры)
303
• из видеопамяти в ПЦАП; при этом образ экрана преоб­
разуется в форму, доступную монитору (цифровая и нф ор­
мация);
• из цифроаналогового преобразователя в монитор (аналого­
вая информация).
-Как можно видеть, каждый этап, исключая передачу из ПЦАП
в монитор, является узким местом, влияющим на производитель­
ность графической системы в целом. Общее быстродействие опре­
деляется скоростью самого медленного звена (рис. 5.10).
[UUT-T
Рис. 5.10. Траектория данных в видеоканале
Графический процессор. Первые VGA-системы имели низкое
быстродействие. Центральный процессор был чрезмерно загру­
жен обработкой графических данных, и объем информации, пе­
редаваемой по шинам к графической карте, вносил трудности в
систему.
Проблема была решена размещением специализированных
микросхем, чипов, обрабатывающих графику, на графических
картах. Вместо того чтобы посылать образ экрана в буфер кадра,
центральный процессор посылает набор инструкций, которые
интерпретируются драйвером графической карты и вы полняю т­
ся процессором карты.
Видеопамять. Память, которая держит видеоизображение,
или буфер кадра, обычно располагается на графической карте
304
Глава 5. Мультимедийные и интерактивные устройства
непосредственно. Это дает возможность ее настройки для опре­
деленных задач, которые имеют ряд особенностей. Во-первых,
доступ к ней осуществляется достаточно крупными блоками.
Во-вторых, она должна быстро перезаписывать большие объемы
данных без прерывания процедуры считывания, так как образ
картинки, формируемой на экране монитора, постоянно считы­
вается из этой памяти с частотой кадровой развертки монитора,
и одновременно в эту же память операционная система осущест­
вляет запись и в результате этого происходит изменение изобра­
жения.
Чем больше число цветов или выше разреш ение, тем боль­
шее количество видеопамяти требуется. Однако, так как это —
разделенный ресурс, то улучшение одной характеристики может
осуществиться только за счет другой. Таблица 5.3 показывает до­
пустимые комбинации для типичных размеров видеопамяти.
Таблица 5.3. Связь характеристик видеосистемы с объемом памяти
Размер видеопамяти, Мбит
Разрешение
Цветовая глубина, бит
Число цветов
1
10 2 4 x 768
8 0 0 х 600
8
16
256
65 536
2
10 2 4 x 768
1280 х 1024
8 0 0 х 600
8
6
24
256
65 536
16,7 млн
4
10 2 4 х 768
24
16,7 млн
6
1280 х 1024
24
16,7 млн
8
1 6 0 0 х 1200
32
16,7 млн
Если общее количество установленной видеопамяти не заня­
то полностью текущим применением, ее избыток может исполь­
зоваться для кэш ирования графической информации (шрифтов
текста или изображений).
ПЦАП. Преобразователь с высокой частотой считывает со­
держимое видеопамяти, преобразует в аналоговый RG B-сигнал
и передает по видеокабелю на монитор. При этом используются
таблицы конвертирования для преобразования каждого цвета.
Для каждого из трех первичных цветов используется один кон­
вертер, чтобы создать полный спектр цветов. Конечный резуль­
5.2. Графические карты (видеоадаптеры)
305
тат — правильная смесь цветов, создающая цвет единственного
пикселя. Частота, с которой ПЦАП может преобразовывать и н ­
формацию , и структура самого графического процессора опреде­
ляю т диапазон частоты обновления экрана, число цветов и м ак­
симальное разрешение.
Цифровые видеокарты
Первые плоскопанельные (матричные) мониторы (жидко­
кристаллические дисплеи — Ж КД) соединялись с графической
картой через разъем VGA. При этом графическая карта сначала
преобразовывала сигнал в аналоговую форму посредством
П Ц АП . Так как Ж КД в отличие от мониторов на ЭЛТ имеет
цифровую природу, аналоговый сигнал затем преобразовывался
в цифровую форму внутренней схемой Ж К Д , которая увеличи­
вала стоимость устройства и влияла на качество изображения
(особенно в области цветопередачи).
Кроме того, традиционный аналоговый канал передачи ви­
деосигналов стал узким местом видеосистемы. Повысить качест­
во изображения можно, поместив микросхемы ЦАП в монитор,
прямо на плату видеоусилителей, и подавая на них от компью те­
ра цифровые сигналы базисных цветов.
Цифровой видеоинтерфейс (Digital Video Interface — DVI). Для
реш ения перечисленных проблем рабочая группа по цифровым
дисплеям (DDW G — Digital Display Working Group), охватываю­
щая ряд ведущих фирм, разработала спецификацию цифрового
видеоинтерфейса DVI.
И нтерфейс предназначен для подключения дисцлеев любого
типа (ЭЛТ и матричных) к компьютеру, причем возможны два
варианта коннекторов и интерфейса: чисто цифровой и циф ро­
вой с традиционными аналоговыми сигналами. Во втором слу­
чае к разъему DVI через пассивный переходник может быть под­
ключен монитор с обычным аналоговым VGA-интерфейсом
(рис. 5.11, а).
В основе протокола DVI находится предложенная Silicon
Image технология быстродействующего последовательного и н ­
терфейса PanelLink, использующего м е т о д р а з н о с т н ы х
с и г н а л о в с м и н и м и з а ц и е й п е р е х о д о в — Transition
Minimised Differential Signalling (TM DS). Термин «минимизиро­
ванный переход» означает сокращ ение числа резких колебаний
2 0 - 1814
306
Глава 5. Мультимедийные и интерактивные устройства
Разъем V G A
^
Один канал
Комбинированный
аналоговый и цифровой
DVI-1
Два канала
Один канал
Два канала
в
Рис. 5.11. Структура карты с интерфейсом DVI (а); протокол TM DS (б); разно­
видности DVI-интерфейсов (в)
напряжения сигнала (от высокого к низкому, и наоборот), что
снижает уровень электромагнитных помех и позволяет увели­
чить пропускную способность и точность канала. Разностный
(«дифференциальный») означает метод передачи, использующий
пару дополнительных битов, которые управляют инвертировани­
ем длинных последовательностей «1» или «0», центрируя сред­
ний уровень сигнала.
Архитектура связи TM DS состоит из T M D S-передатчика, ко­
торый кодирует и последовательно передает поток данных на
TM D S-прием ник (рис. 5.11, б). Каждый канал содержит три л и ­
нии для R G B -информ ации, связанные с кодирующим устройст­
вом. За период каждой транзакции каждое кодирующее устрой­
ство производит 10-битовый TM D S-пакет данных, где первые
восемь бит — кодируемые данные; девятый бит идентифицирует
метод ш ифрования, десятый — управляет балансом постоянного
тока. Сигнал синхронизации (clock signal) позволяет приемнику
производить выборку битов из поступающего последовательного
потока данных, прием и декодирование пакетов TM DS.
5 .3 . Мониторы на основе ЭЛТ
307
Пределом является полоса пропускания в 165 МГц (165 млн
пикселей в секунду). Поэтому пропускная способность одно­
го канала DVI способна к передаче изображений UXGA
(1600 х 1200 пикселей) с частотой 60 Гц. Поскольку фактически
DVI содержит до двух T M D S -каналов, его возможностей доста­
точно, чтобы обеспечить передачу сигналов HDTV (1920 х 1080),
QXGA (2048 х 1536) и более высоких разрешений. Система
включает один или два канала в зависимости от возможностей
монитора.
5 .3 . Мониторы на основе ЭЛТ
Монитор (дисплей) компьютера является второй (после
адаптера) компонентой видеосистемы. М ониторы могут быть
ц в е т н ы м и или м о н о х р о м н ы м и и работать в одном из
двух режимов — т е к с т о в о м или г р а ф и ч е с к о м . Кроме
того, различаются а н а л о г о в ы е и ц и ф р о в ы е мониторы.
Для связи между адаптером и монитором используются интер­
фейсы мониторов.
Разновидности мониторов на ЭЛТ (см. рис. 1 .1 9 )
Текстовый монитор. В текстовом режиме экран монитора ус­
ловно разбивается на отдельные участки — з н а к о м е с т а , чаще
всего на 25 строк по 80 символов (знакомест). В каждое зн ако­
место может быть выведен один из 256 заранее заданных сим во­
лов. В число этих символов входят большие и малые латинские
буквы, цифры, а также псевдографические символы, используе­
мые для вывода на экран таблиц и диаграмм, построения рамок
вокруг участков экрана и т. д. В число символов, изображаемых
на экране в текстовом режиме, могут входить и символы кирил­
лицы (буквы русского алфавита).
На монохромных мониторах для выделения отдельных час­
тей текста и участков экрана используются повышенная яркость
символов, подчеркивание и инверсное изображение (темные
символы на светлом фоне).
Графический монитор. В графическом режиме экран м онито­
ра состоит из точек (пикселей), каждая из которых может быть
20-
308
Глава 5. Мультимедийные и интерактивные устройства
темной или светлой на монохромных мониторах или одного из
нескольких цветов — на цветном. Количество точек по горизон­
тали и вертикали называется разрешающей способностью монито­
ра в данном режиме. Следует заметить, что разрешающая спо­
собность не зависит от размера экрана монитора, подобно тому,
как и большой, и маленький телевизоры имеют на экране 625
строк развертки изображения.
М ониторы различаются также по способу передачи изобра­
ж ения от компьютера к дисплею:
• к о м п о з и т н ы й дисплей имеет одну аналоговую вход­
ную линию . Может быть как цветным, так и монохром­
ным. Видеосигнал подается на дисплей в стандарте NTSC.
Используется с видеоадаптером (BA) CGA;
• ц и ф р о в о й дисплей имеет до шести входных линий. На
нем может отображаться до 2" различных цветов, где п —
число входных линий. Используется с BA EGA;
• а н а л о г о в ы й R G B -дисплей имеет три аналоговые вход­
ные линии. Количество цветов, которые может отображать
аналоговый дисплей, ограничено только возможностями
ВА. Используется с BA VGA, SVGA, XGA.
Монохромный монитор. М онохромные мониторы могут быть
как черно-белыми, так и черно-зелеными или черно-желтыми.
Эти мониторы сочетают высокую разрешающую способность
(у них отсутствуют трехцветные зерна лю минофора) с низкой
ценой. Электронно-лучевая трубка монохромного монитора
имеет только одну электронную пушку, она меньше цветных
ЭЛТ и благодаря этому монохромные мониторы компактнее и
легче. Кроме того, монохромный монитор работает с более низ­
ким анодным напряжением, чем цветной (15 кВ против
21—25 кВ), поэтому потребляемая им мощ ность значительно
ниже (30 Вт вместо 80—90 Вт для цветных).
Цветной монитор. Цветные мониторы получили наибольшее
распространение. Первые цветные мониторы, имеющие циф ро­
вой интерфейс, использовались с адаптерами CG A и EGA. М о­
ниторы CG A работали на частотах, близких к телевизионным, и
некоторые умельцы подключали вместо них цветные телевизо­
ры. Однако по качеству изображения телевизор обычно уступает
монитору. М ониторы EGA имели возможность переключения
частот развертки и обеспечивали довольно высокое качество
изображения. В настоящее время распространены мониторы
классов VGA и SVGA, имеющие аналоговый интерфейс.
5 .3 . Мониторы на основе ЭЛТ
309
В отличие от телевизора, где видеосигнал, управляющий яр­
костью электронного пучка, является аналоговым, в мониторах
П К используется как аналоговый, так и цифровой видеосигнал.
В связи с этим мониторы для П К принято разделять на ц и ф р о в . ы е и а н а л о г о в ы е . Первыми устройствами отображения
информации П К были цифровые мониторы.
Цифровой монитор. В цифровых мониторах управление осу­
ществляется двоичными сигналами, которые имеют только два
значения: логическая «1» и логический «0». Уровню логической
единицы соответствует напряжение около 5 В, уровню логиче­
ского нуля — не более 0,5 В.
Поскольку такие же уровни «1» и «0» используются в ш ироко
распространенной стандартной серии микросхем на основе
транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), цифровые м онито­
ры называют Т Т Л - м о н и т о р а м и . Первые ТТЛ-мониторы
были монохромными, впоследствии появились цветные.
В кинескопе цветного цифрового монитора содержатся три
электронные пушки — для красного, зеленого и синего цветов с
раздельным управлением, поэтому его называют RG B-монито­
ром. Цифровые RG B -мониторы предназначены для подключе­
ния к видеокартам стандарта CGA и EGA. Объем палитры цве­
тов каждого из мониторов определяется количеством двоичных
сигналов, используемых для управления электронными пуш ка­
ми. Видеосигнал на монитор подается по четырем проводам:
трем основным (R, G , В) и одному дополнительному (Intensity
или I). Сигнал I изменяет интенсивность трех пушек одновре­
менно. В этом случае говорят о цветной модели IRGB, позво­
ляю щ ей отобразить 24 = 16 цветов.
* >
На. монитор EGA видеосигнал подается уже по шести прово­
дам: сигналы трех основных (R, G , В) и трех дополнительных
(г, g, b) цветов, позволяю щие индивидуально регулировать и н ­
тенсивность каждой пушки. Такая модель называется Rr, Gg, Bb.
Она позволяет отобразить 26 = 64 оттенка цвета, однако ее воз­
можности использованы в видеосистеме EGA лиш ь частично —
из-за ограниченного объема видеопамяти для кодирования цвета
пикселя отводится не более 4 бит, поэтому одновременно можно
отобразить только 16 цветов.
Аналоговый монитор. Аналоговые мониторы так же, как и
цифровые, бывают цветными и монохромными, при этом цвет­
ной монитор может работать в монохромном режиме. Такие м о­
310
Глава 5. Мультимедийные и интерактивные устройства
ниторы работают с видеокартами стандарта VGA и выше. Они
способны поддерживать разрешение более 640 х 480 пикселей.
Главная причина перехода к аналоговому видеосигналу со­
стоит в ограниченности палитры цветов цифрового монитора.
Аналоговый видеосигнал, регулирующий интенсивность пучка
электронов, может принимать любое значение в диапазоне от 0
до 0,7 В. Поскольку этих значений бесконечно много, то палит­
ра аналогового монитора не ограничена. Однако видеоадаптер
может обеспечить только конечное количество градаций уровня
видеосигнала, что в итоге ограничивает палитру всей видеосис­
темы в целом.
Цветоделительные маски
Для того, чтобы каждая пушка направляла поток электронов
только на зерна лю минофора соответствующего цвета, в цветном
кинескопе имеется ц в е т о д е л и т е л ь н а я м а с к а . Конструк­
тивно цветоделительная маска представляет собой металличе­
скую пластину из тугоплавкого сплава железа с никелем (инва­
ра) с системой отверстий, которые обеспечивают изоляцию лю ­
минофора от «чужого» пучка, выступая в роли своеобразных
«коридоров» для потоков электронов.
В зависимости от расположения электронных пушек и кон­
струкции цветоделительной маски различают ЭЛТ четырех ти­
пов, используемых в современных мониторах:
• с теневой маской (shadow mask), наиболее распространены
в большинстве мониторов (рис. 5.12, а);
а
б
в
г
Рис. 5.12. Различные типы масок:
а — теневая маска; 6 — улучшенная теневая; в —шелевая маска; г — апертурная
решетка; / — горизонтальный шаг; 2 — диагональный шаг
5 .3 . Мониторы на основе ЭЛТ
311
• с улучшенной теневой маской (E D P — enhanced dot pitch).
Для увеличения коэф фициента пропускания разработана
маска с овальными отверстиями, расположенными на
уменьшенном расстоянии друг от друга по горизонтали
(рис. 5.12, 5);
»-с щелевой маской (slot mask), в которой лю минофорные
элементы расположены в вертикальных ячейках, а маска
сделана из вертикальных линий. Вертикальные полосы раз­
делены на ячейки, которые содержат группы из трех лю минофорных элементов основных цветов (рис. 5.12, в);
• с апертурной решеткой из вертикальных линий (aperture
grill). Вместо точек с лю минофорны ми элементами трех
основных цветов апертурная решетка содержит серию н и ­
тей, состоящих из лю минофорных элементов, вы строен­
ных в виде вертикальных полос трех основных цветов
(рис. 5.12, г).
Ф актически все маски являются теневыми, но исторически
это название закрепилось именно за масками с круглыми отвер­
стиями. Поверхность экрана монитора с теневой маской обычно
выпуклая; в противном случае электронный пучок будет иметь
большую толщину на краях экрана, чем в центре, что неприемле­
мо. М ониторы на основе теневой маски достаточно технологич­
ны, не слишком дороги и обеспечивают хорошую детализацию
экранного изображения. К их недостаткам следует отнести посте­
пенную деформацию маски под воздействием электронного пуч­
ка, что приводит к смещ ению цветов, малый коэф ф ициент про­
пускания электронов через маску (около 25 %), плохое совмещ е­
ние лучей при большом угле отклонения, т. е. по.краям экрана.
М инимальное расстояние между лю минофорны ми элем ента­
ми одинакового цвета в теневых масках называется dot pitch
(или шаг точки) и является характеристикой качества изображе­
ния. Ш аг точки обычно измеряется в миллиметрах (мм). У раз­
личных моделей мониторов данный параметр имеет значение от
0,25 до 0,41 мм (у хороших мониторов — не более 0,28 мм).
В ЭЛТ с апертурной решеткой среднее расстояние между по­
лосами называется strip pitch (или шагом полосы) и измеряется в
миллиметрах (мм). Нельзя сравнивать размер шага для трубок
разных типов: шаг точек (или триад) трубки с теневой маской
измеряется по диагонали, в то время как шаг апертурной реш ет­
ки, иначе называемый горизонтальным шагом точек, — по гори­
зонтали. Поэтому при одинаковом шаге точек трубка с теневой
Глава 5. Мультимедийные и интерактивные устройства
312
маской имеет большую плотность точек, чем трубка с апертур­
ной решеткой. Для примера, 0,25 мм шага полосы приблизи­
тельно эквивалентны 0,27 мм шага точки (рис. 5.12, а).
Параметры мониторов
Основным параметром монитора является размер диагонали
экрана (Screen Size), который принято измерять в дюймах
(табл. 5.4). По умолчанию считается, что ш ирина экрана больше
его высоты и соотнош ение этих размеров составляет 4:3. Такую
ориентацию называют «пейзажной» (landscape), хотя это опреде­
ление обычно опускают. Заметим, что стандартные графические
режимы с высоким разрешением (640 х 480, 800 х 600 и более)
имеют то же соотношение числа точек в строке и числа строк.
Этим достигается неискаженное изображение фигур: квадрат на
экране будет иметь стороны с одинаковым числом пикселей.
Существуют мониторы с «портретной» (portrait) ориентацией, у
которых высота больше ш ирины. Это вовсе не «повернутые на
бок» обычные мониторы, поскольку строки развертки у них ос­
таются горизонтальными. Данны й тип монитора предназначался
для издательских систем и позволял более полно использовать
площадь экрана при выводе книжных страниц. В настоящее
время «портретные» мониторы встречаются редко, а в издатель­
ской деятельности чаще просто используют большие мониторы
(19, 21" и больше).
Таблица 5.4. Характеристики мониторов
Диагональ, дюймы
Размер изображения, мм
Разрешение
максимальное
рекомендуемое
190— 200
1024 x 768
640 х 480
15
274— 284
205— 215
1280 х 1024
17
315— 325
237— 245
1600 x 1200
1024
19
355— 365
267— 275
1600 х 1200
1 2 8 0 x 1024
21
396— 406
298— 306
1600 x 1200
1280 x 1024
24
436— 447
328— 336
1900 x 1200
1600 x 1200
о
о
о
о
X
СП
по вертикали
254— 264
ОЭ
по горизонтали
14
X
768
Допустимая частота развертки определяется в основном па­
раметрами отклоняющей системы и мощностью генератора
5.3. Мониторы на основе ЭЛТ
313
строчной развертки. В соответствии с нормами ТСО-99 (см.
табл. 5.6) минимальная частота регенерации (вертикальной раз­
вертки) должна составлять 85 Гц в любом режиме, а рекомендуе­
мая — 100 Гц. Для обеспечения прогрессивной (не чересстроч­
ной) развертки в режимах с высоким разрешением требуется
очень высокая частота строчной развертки. Так, для режима
1024 х 768 при частоте регенерации 85 Гц строчная частота
должна быть порядка 70 кГц, а для 1600 х 1200 при частоте реге­
нерации 100 Гц — 126 кГц.
Н а реальную разрешающую способность существенно влияет
полоса пропускания видеотракта (Video Bandwidth). При недос­
таточно широкой полосе пропускания мелкие детали — точки
или вертикальные линии толщ иной в один пиксель — могут ста­
новиться нечеткими и даже незаметными. В технических данных
на монитор обычно указывают предельное разрешение и м акси­
мальные частоты разверток. Однако это вовсе не означает, что
максимальное разрешение можно использовать на максималь­
ной частоте, да еще и при прогрессивной развертке.
Приближенно требуемая полоса пропускания B W (Гц) оце­
нивается по соотношению:
B W = kHVF,
где Я — число точек в строке; V — число строк; F — частота вер­
тикальной развертки, Гц.
Поправочный коэф ф ициент к = (1,3...1,4) учитывает «про­
стои» вывода точек при обратном ходе по строке и кадру. Для
чересстрочной развертки в формулу подставляется. половина
частоты развертки.
Так, например, для прогрессивной разверткц с частотой кад­
ров 75 Гц для режима 800 x 600 требуется полоса 45 МГц, для
1024 х 768 — 75 МГц, а для 1280 х 1024 — 125 МГц. Чем больше
размер экрана, тем больше должна быть полоса пропускания,
поскольку чем больше экран, тем большего от него требуют раз­
реш ения. Так, по самым жестким меркам высококачественный
монитор 14" должен иметь полосу 65 МГц, 15” — 100 М Гц, а
17” — более 135 МГц.
Безопасность монитора
Основные характеристики ЭЛТ-мониторов приведены в
табл. 5.5. Эти характеристики регламентируются рядом стандартов.
314
Глава 5. Мультимедийные и интерактивные устройства
Таблица 5.5. Характеристики мониторов
Параметр
Описание
Диагональ экрана
монитора
Расстояние между левым нижним и правым верхним углом экрана, из­
меряемое в дюймах. Для работы в Windows желательно иметь монитор
размером, по крайней мере, 17', а с настольными издательскими сис­
темами и САПР — 20 или 21"
Шаг точки
Расстояние между соседними элементами люминофора одного цвета
(иногда называют размером зерна). Выражается в миллиметрах и на­
ходится в диапазоне от 0,28 до 0,21 мм. Заметим, что нельзя сравни­
вать между собой по этому показателю мониторы с разными типами
масок. В мониторах с щелевой маской шаги по горизонтали и по верти­
кали различаются, а в технических характеристиках могут указываются
оба параметра (рис. 5.12)
Размер зерна экрана Расстояние между ближайшими отверстиями в цветоделительной мас­
ке используемого типа, измеряемое в миллиметрах (диапазон —
042— 0,26 мм). Лучшие мониторы имеют зерно 0,26— 0,21 мм. Коли­
чество зерен в строке равно ширине рабочей области, деленной на шаг
зерна. Для мониторов с теневой маской зернистость определяет шаг
триад по диагонали, а для щелевой маски или апертурной решетки —
горизонтальный шаг
Разрешающая спо­
собность монитора
Число элементов изображения, которые он способен воспроизводить
по горизонтали и вертикали. Аналоговые мониторы должны обеспечи­
вать разрешение не менее 1024 х 768. Мониторы с диагональю экрана
21 и 24“ поддерживают разрешение до 1600 х 1200 и более
Потребляемая мощ­ У мониторов размером 14' потребляемая мощность не должна превы­
шать 60 Вт
ность монитора
Покрытия зкрана
Выполняются для придания ему антибликовых и антистатических
свойств. Существует несколько способов получения антибликовой, не­
отражающей поверхности. Самые дешевые из них — протравливание и
за счет зтого придание поверхности шероховатости. Однако графика
на таком экране выглядит не резко, качество изображения уменьшает­
ся. Наиболее популярен способ нанесения кварцевого покрытия, рас­
сеивающего падающий свет
Защитный экран
(фильтр)
Рекомендуемый атрибут ЭЛТ-монитора, поскольку медицинские иссле­
дования показали, что излучение широкого диапазона (рентгеновское,
инфракрасное и радиоизлучение), а также электростатические поля,
сопровождающие работу монитора, могут весьма отрицательно сказы­
ваться на здоровье человека
Фокусировка
Проверка производится путем наблюдения темного текста на светлом
фоне в центре и в углах зкрана. Буквы должны быть четкими и хорошо
читаемыми, а на краях зкрана пиксели не должны размазываться или
двоиться
5 .3 . Мониторы на основе ЭЛТ
315
Окончание табл. 5.5
Параметр
Описание
Сведение лучей
Наблюдение белых линий, отображаемых на черном фоне. Если на ли­
нии появляются полосы другого цвета, в этом случае воспроизведение
на данном мониторе мелких объектов, таких, как симвопы или линии,
может быть посредственным
Наличие геометри­
ческих искажений
Определяется путем перемещения объекта с постоянными размерами,
например пюбого окна приложения небольшого размера по экрану и
измерения его размеров в разных частях экрана. Если размеры окна
изменяются в разных частях экрана, значит, присутствует геометриче­
ское искажение
Цветопередача
Последовательный вывод на экран чистых красного, зеленого и синего
цветов и наблюдение за тем, как эти цвета отображаются на экране.
Если цвет отображается неправильно, значит, у монитора неверная
цветопередача
Равномерность за­
светки
При выведении на экран полностью белого изображения яркость долж­
на быть равномерной по всей площади и не должно быть заметно ника­
ких явных цветных или темных пятен
Муар
Муар является следствием явления естественной интерференции, кото­
рое проявляется на всех ЭЛТ-мониторах. Муар зависит от используе­
мого разрешения и размера монитора и лучше всего заметен именно
при высоких разрешениях на мониторах с хорошо сфокусированными
лучами. Если виден муар, значит, монитор хорошо сфокусирован. Если
муар не наблюдается, возможно, у монитора плохая фокусировка.
В некоторых мониторах предусмотрена регулировка муара
Срок службы
монитора
В значительной мере зависит от температуры его нагрева при работе.
Если монитор очень сильно нагревается, то можно ожидать, что срок
его службы будет невелик
M P R -II — стандарт безопасности мониторов, разработанный
Национальной лабораторией измерения и тестирования Ш веции
в 1987 г., и активно поддерживается производителями м онито­
ров с 1990 г. Этим стандартом, в частности, устанавливается
максимальный уровень излучения (точнее, напряженности элек­
трического поля) в 2,5 В/м на расстоянии 50 см от монитора.
ТСО. Стандарты ТСО-92, ТСО-95, ТСО-99 предложены
Ш ведской конфедерацией профсоюзов (табл. 5.6, 5.7). ТСО-92,
вышедший в 1992 г., определяет параметры электромагнитного
излучения, дает определенную гарантию противопожарной безо­
пасности, обеспечивает электрическую безопасность и определя­
ет параметры энергосбережения. По сравнению с M PR -II он ус-
316
Глава 5. Мультимедийные и интерактивные устройства
Таблица 5.6. Знаки, удостоверяющие, что терминал удовлетворяет требованиям
нш
тсо-хх
ТСО-95
ТСО-99
ТС0-06
тсо-оз
Таблица 5.7. Сравнительные характеристики ТСО-95 и ТСО-99
Характеристика монитора
ТСО-95
ТСО-99
Однородность светимости
Более 1 ,7 :1
Более 1 ,5 :1
Контраст светимости
Измеряется в 10 % по диаго­ Измеряется в 5 % по диагонали от
края
нали от края
Требования к магнитному полю
Передний коэффициент
отражения экрана
Нет стандарта
По крайней мере 20 %
Измеряется в 30 см перед
и в 50 см вокруг экрана
От 2 до 5 кГц < 200 нТл
(нанотесла)
Те же характеристики при макси­
муме яркости и контраста
Измеряется в 50 см вокруг
экрана
От 2 до 400 кГц < 25 нТл
Те же характеристики при макси­
муме яркости и контраста
Требования к переменному электрическому полю
Измерено в 30 см и 50 см
перед экраном
От 5 Гц до 2 кГц < 10 В/м
(вольт на метр)
Те же характеристики при макси­
муме яркости и контраста
Измерено в 30 см перед и
в 50 см вокруг экрана
От 2 до 400 кГц <1,0 В/м
Те же характеристики при макси­
муме яркости и контраста
Экономия энергии
Экологический контроль
Режим приостановки при
Приостановка при 15 Вт (для
энергопотреблении меньшем USB-мониторов) или 5 Вт (для мо­
или равном 30 Вт
ниторов не USB)
Нет стандарта
Не применять хлорированные рас­
творители; обязательный список
потенциально опасных используе­
мых пластмасс
танавливают более жесткие нормы на излучение от мониторов.
М аксимально допустимый уровень излучения определен в 1 В/м
на расстоянии в 30 см.
5.3. Мониторы на основе ЭЛТ
317
Стандарт ТСО-95 предъявляет такие же требования по излу­
чению, но обязывает также изготавливать монитор из материа­
лов, подлежащих вторичной переработке и не наносящ их вред
окружающей среде. Еще более жесткие требования по излуче­
нию введены в стандарте ТСО-99, в котором по сравнению с
ТС О :"95 усиленв следующие требования: минимально допусти­
мая частота кадров не менее 85 Гц; уменьшен вдвое уровень по­
требления электроэнергии в режиме Standby; время восстановле­
ния из Standby в рабочий режим не более 3 с. Стандарт впервые
предъявляет жесткие требования к качеству самого изображе­
ния — должна быть минимальной расфокусировка изображения
по углам экрана по отнош ению к центру, оговаривается уровень
отражения света от экрана (блики) и т. п. (табл. 5.7). В дальней­
шем были приняты стандарты ТСО-ОЗ и 06 (2003—2006 гг.).
ТСО-ОЗ регламентирует характеристики как ЭЛТ-мониторов,
так и плоскопанельных дисплеев. Усиливаются требования к я р ­
кости и степени разреш ения, скорости загрузки изображения,
характеристикам основных цветов (RGB), степени вертикальных
искаж ений, производимым шумам. ТСО-06 формулирует требо­
вания к мультимедийным мониторам, плоскопанельным телеви­
зорам и многофункциональным устройствам отображения. По
сравнению с ТСО-ОЗ имеются следующие изменения в требова­
ниях: более строгие требования к уровню яркости, температур­
ному режиму, линейности цветовой шкалы; снижены требова­
ния к энергопотреблению и степени пикселизации экрана.
Стандарт DPM S (Display Power M anagement Signaling —
сигналы управления энергопотреблением монитора) — стан­
дарт, созданный VESA для многостадийного снижения энерго­
потребления монитора. Для реализации стандарта* его должен
поддерживать монитор. В стандарте .оговорены четыре уровня
(табл. 5.8).
Таблица 5.8. Требования стандарта DPMS
Уровень
Определение
Результат
0
DPMS Mode On
1
DPMS Mode Standby
Изображения нет, потребление снижено
2
DPMS Mode Suspend
Изображения нет, потребление еще более снижено
3
DPMS Mode Off
Монитор используется как обычно
Изображения нет, потребление снижено до минимума
318
Глава 5. Мультимедийные и интерактивные устройства
5.4. Плоскопанельные мониторы
М ониторы на основе Э Л Т в настоящее время являются наи­
более распространенными, однако они обладают рядом недос­
татков — значительные масса, габариты и энергопотребление;
наличие тепловыделения и излучения, потенциально вредного
для здоровья человека. В связи с этим на смену ЭЛТ мониторам
приходят п л о с к о п а н е л ь н ы е м о н и т о р ы : жидкокристал­
лические — Ж К -мониторы , плазменные, электролюминесцентные, мониторы электростатической эмиссии, органические све­
тодиодные мониторы.
Жидкокристаллические дисплеи (ЖКД, LCD — Liquid Crystal
Display)
Ж КД состав