Полная версия

Главная arrow Информатика arrow Архитектура ЭВМ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

Устройства ввода-вывода

Устройства ввода-вывода служат соответственно для ввода информации в машину и вывода из нее, а также для обеспечения общения пользователя с ПЭВМ. Процессы ввода-вывода протекают с использованием внутренней памяти. Устройства ввода-вывода называют периферийными, или внешними, устройствами. К ним относятся мониторы, клавиатура, манипуляторы, печатающие устройства (принтеры), графопостроители, сканеры, звуковые колонки.

Устройства ввода-вывода можно условно разделить на устройства, с помощью которых информация передается машине от человека, человеку от машины и от одной ЭВМ к другой.

На рис. 2.26 приведены наиболее распространенные устройства ввода-вывода. Кроме них имеются специальные устройства, обеспечивающие совместную работу ЭВМ с кассовыми аппаратами, микрофонами, видеокамерами, видеомагнитофонами, медицинскими и научными приборами и т. п.

Устройства ввода-вывода

Устройства

вывода

Устройства

ввода

Устройства

Устройства связи с другими вычислительными системами

Принтер

местоуказания Дисплей

Плоттер

Звуковая

приставка

Модем Сетевой адаптер

Рис. 2.26. Классификация устройств ввода-вывода

В табл. 2.4 приведены основные характеристики носителей информации.

Функционирование любой вычислительной системы обычно сводится к выполнению двух видов работы: обработке информации и операциям по осуществлению ее ввода-вывода.

Содержание понятий «обработка информации» и «операции ввода-вывода» зависит от разных подходов. С точки зрения программиста под «обработкой информации» понимается выполнение команд процессора над данными, лежащими в памяти независимо от уровня иерархии — в регистрах, кэше, оперативной или вторичной памяти. Под «операциями ввода-вывода» про-

Таблица 2.4. Основные характеристики носителей информации

Вид носителя

Информационная

емкость

Скорость

обмена

Дискета

1,44 Мб

250, 300 и 500 Кб/с

Сменный гибкий диск ZIP

От 100 до 750 Мб

1 Мб/с

Винчестер

От 100 до 500 Гб

До 300 Мб/с

Стриммер

От 80 Мб до 40 Гб

От 1,5 до 3 Мб/с

CD-ROM

От 650 до 800 Мб

До 7,8 Мб/с

DVD

От 4,7 до 17 Гб

До 21 Мб/с

Магнитооптический диск

От 128 Мб до 2,6 Гб

От 1,3 до 3,8 Мб/с

граммист понимает обмен данными между памятью и устройствами, являющимися внешними по отношению к памяти и процессору, такими как магнитные ленты, диски, монитор, клавиатура и таймер.

В операционной системе обработка информации — это только операции, совершаемые процессором над данными, находящимися в памяти на уровне иерархии не ниже, чем оперативная память. Все остальное относится к операциям ввода-вывода. Для того чтобы совершить операции над данными, временно расположенными во вторичной памяти, операционная система сначала производит их подкачку в оперативную память, и лишь затем процессор совершает необходимые действия.

Рассмотрим процессы, происходящие в компьютере при осуществлении операций ввода-вывода, и то, как операционная система управляет их выполнением. При этом для простоты будем считать, что объем оперативной памяти в вычислительной системе достаточно большой, т. е. все процессы полностью располагаются в оперативной памяти, и поэтому понятия «операция ввода-вывода» содержательно совпадают. Это предположение не снижает общности рассмотрения, так как подкачка информации из вторичной памяти в оперативную память и обратно обычно строится по тому же принципу, что и все остальные операции ввода-вывода.

Существует много разнообразных устройств, которые могут взаимодействовать с процессором и памятью: таймер, жесткие диски, клавиатура, дисплеи, мышь, модемы и т. д. Часть этих устройств может быть встроена внутрь корпуса компьютера, часть — вынесена за его пределы и общается с компьютером через различные линии связи: кабельные, оптоволоконные, радиорелейные, спутниковые и т. д. Набор конкретных устройств и способы их подключения определяются целями функционирования вычислительной системы, желаниями и финансовыми возможностями пользователя. Несмотря на все многообразие устройств, управление их работой и обмен информацией с ними строятся на относительно небольшом количестве принципов.

Логические принципы организации ввода-вывода. Все, что необходимо сделать пользователю при подключении нового устройства, — это отобразить порты устройства в соответствующее адресное пространство, определить, какой номер будет соответствовать прерыванию, генерируемому устройством, и, если нужно, закрепить за устройством канал ОМА.

Структура системы ввода-вывода. Все устройства отличаются по выполняемым функциям и характеристикам, и кажется, что принципиально невозможно создать систему, которая без больших постоянных переделок позволяла бы охватывать все многообразие видов. Рассмотрим перечень направлений, по которым различаются устройства:

  • • скорость обмена информацией может варьироваться в диапазоне от нескольких байт в секунду (клавиатура) до нескольких гигабайт в секунду (сетевые карты);
  • • некоторые устройства могут быть использованы параллельно несколькими процессами (являются разделяемыми), в то время как другие требуют монопольного захвата процессом;
  • • устройства могут запоминать выведенную информацию для ее последующего ввода или не обладать этой функцией. Устройства, запоминающие информацию, в свою очередь, могут дифференцироваться по формам доступа к сохраненной информации: обеспечивать к ней последовательный доступ в жестко заданном порядке или уметь находить и передавать только необходимую порцию данных;
  • • часть устройств передает данные только по 1 байту последовательно (символьные устройства), а часть устройств — блоками байтов (блочные устройства);
  • • существуют устройства, предназначенные только для ввода и только для вывода информации, и устройства, которые могут выполнять и ввод, и вывод.

В области технического обеспечения выделяют основной принцип взаимодействия внешних устройств с вычислительной системой: создание единого интерфейса для их подключения с возложением всех специфических действий на контроллеры устройств.

Похожий подход оказался продуктивным и в области программного подключения устройств ввода-вывода. Можно специфицировать интерфейсы между ядром операционной системы, осуществляющим некоторую общую политику ввода-вывода, и программными частями, непосредственно управляющими устройствами, т. е. использовать принцип уровневого или слоеного построения системы управления вводом-выводом для операционной системы (рис. 2.27).

Структура системы ввода-вывода

Рис. 2.27. Структура системы ввода-вывода

Два нижних уровня этой слоеной системы составляет Hardware: сами устройства, непосредственно выполняющие операции, и их контроллеры, служащие для организации совместной работы устройств и остальной вычислительной системы. Следующий уровень — это драйверы устройств ввода-вывода, скрывающие от разработчиков операционных систем особенности функционирования конкретных приборов и обеспечивающие четко определенный интерфейс между Hardware и вышележащим уровнем — уровнем базовой подсистемы ввода-вывода, которая, в свою очередь, предоставляет механизм взаимодействия между драйверами и программной частью вычислительной системы в целом.

Внешние запоминающие устройства. В системный блок ПК вмонтированы дисководы (накопители на гибких и жестких магнитных дисках). Дисковод гибких дисков — специальный накопитель, используется для оперативного переноса небольших объемов информации на гибкие магнитные диски (дискеты). Основные параметры гибких дисков — технологический размер (дюймы), плотность записи (измеряется в кратных единицах) и полная емкость (килобайты или мегабайты). Гибкие магнитные диски (дискеты) предназначены, как правило, для перемещения информации с одной ЭВМ на другую.

Жесткие магнитные диски — это несъемные устройства, предназначенные для хранения больших объемов информации.

Магнитные ленты, оптические и магнитооптические диски используются и для перемещения и для хранения данных. Принцип записи информации на магнитные ленты и диски аналогичен принципу записи звука в магнитофоне, т. е. осуществляется многократное считывание и запись на магнитные диски.

Магнитные диски различаются размерами, скоростью работы и информационной емкостью. Существуют гибкие диски — дискеты размером 3,5" (89 мм). Дискеты представляют собой гибкий диск из тонкого пластика, на обе стороны которого нанесен магнитный слой. Диск заключен в плотный конверт (корпус) с отверстиями для магнитных головок (рис. 2.28).

Отверстие для обозначения емкости Защита от записи

Этикетка

Защитная крышка прорези для магнитных головок

а б

Рис. 2.28. Дисковод (а) и флоппи-диск диаметром 3,5м (б)

Информация на дискету записывается по дорожкам-окружностям (трекам). На каждой стороне дискеты помещается 40 или 80 дорожек в зависимости от формата дискеты (информационной емкости), диктуемого качеством магнитной поверхности дискеты и совершенством конструкции дисковода. Каждая дорожка состоит из несколько секторов, в каждом секторе может быть записано 512 байт информации. На конверте (корпусе) дискеты сбоку имеется специальная прорезь, предназначенная для блокирования записи на диск и сохранения имеющейся на диске информации. Схема устройства накопителя на гибком магнитном диске показана на рис. 2.29.

Схема дисковода

Рис. 2.29. Схема дисковода: 1 — позиционирующий двигатель; 2 — каретка с двумя рычагами; 3 — блок магнитных головок; 4 — привод магнитного диска;

5 — дискета

Магнитный диск 5 вращается с помощью привода 4, для записи и считывания информации используются магнитные головки 3, расположенные на рычагах, жестко закрепленных на каретке 2. Каретка перемещается позиционирующим двигателем 7, смещая магнитные головки с одной дорожки диска на другую.

Существуют два стандартных формата этих дискет — 760 Кб (устаревший формат, 40 дорожек по 18 секторов) и 1,44 Мб (современный формат, 80 дорожек по 18 секторов).

Работа дисководов управляется контроллерами — электронными схемами, выполненными в виде печатных плат, устанавливаемых в один из разъемов на системной плате или монтируемых непосредственно на дисководе.

Примечание. Гибкие диски размером 5,25" имеют формат 360 Кб или 1,2 Мб. Их этикетка маркируется соответственно DS/DD (double sided/double density — двухсторонние/с двойной плотностью) и DS/HD (double sided/high density — двухсторонние/с высокой плотностью). На дискетах 360 Кб с каждой стороны помещаются 40 дорожек по 9 секторов в каждой, на дискетах 1,2 Мб создаются 80 дорожек по 15 секторов. Для приблизительной оценки информационной емкости дискеты 360 Кб можно отметить, что на ней размещается информация, соответствующая примерно 100 листам печатного текста.

Дисковод компакт-дисков CD-ROM (Compact Disk Read-only Memory, рус. — ПЗУ на основе компакт-диска). Принцип действия этого устройства состоит в считывании числовых данных с помощью лазерного луча, отражающегося от поверхности диска. В магнитооптических дисках информация также хранится на магнитном носителе, но чтение и запись осуществляются лучом лазера, что значительно повышает сохранность информации. Информация на лазерных дисках представляет собой участки, в различной степени отражающие лазерный луч.

Цифровая запись на компакт-диске отличается от записи на магнитных дисках очень высокой плотностью, и стандартный компакт-диск может хранить примерно 650 Мб информации. Основной недостаток CD-ROM (CD-R) — невозможность записи данных. Однако существуют и записывающие устройства CD-RW. Они стоят существенно дороже и позволяют однократно записывать информацию на специальные носители, отличающиеся от обычных компакт-дисков типом поверхностного покрытия. В остальном они совместимы.

Печатающие устройства. Принтер — устройство для вывода информации на бумагу. Принтеры подразделяются на матричные, струйные и лазерные. Встречается классификация принтеров по следующим типам — литерные, лепестковые, светодиодные и др. Кроме того, по формату бумаги различают «широкие» и «узкие» принтеры. Печатающие устройства (принтеры) позволяют создавать на бумаге копии хранимой в ПК информации. Они подразделяются на следующие группы:

  • матричные принтеры используют комбинации маленьких штырьков, которые бьют по красящей ленте, благодаря чему на бумаге остается отпечаток символа. Каждый символ, печатаемый на принтере, формируется из набора 9, 18 или 24 игл, сгруппированных в виде вертикальной колонки. Недостатки этих недорогих принтеров — их шумная работа и невысокое качество печати;
  • лазерные принтеры работают примерно так же, как копировальные аппараты. Компьютер формирует в памяти «образ» страницы текста и передает его принтеру. Информация о странице проецируется с помощью лазерного луча на вращающийся барабан со светочувствительным покрытием, меняющим электрические свойства в зависимости от освещенности. После засветки на барабан, находящийся под электрическим напряжением, наносится красящий порошок — тонер, частицы которого налипают на засвеченные участки поверхности барабана. Принтер с помощью специального горячего валика протягивает бумагу под барабаном; тонер переносится на бумагу и «вплавляется» в нее, оставляя стойкое высококачественное изображение. Цветные лазерные принтеры пока очень дороги;
  • струйные принтеры генерируют символы в виде последовательности чернильных точек. Печатающая головка принтера имеет крошечные сопла, через которые на страницу выбрызгиваются быстросохнущие чернила. Эти принтеры требовательны к качеству бумаги. Цветные струйные принтеры создают цвета, комбинируя чернила четырех основных цветов — ярко-голубого, пурпурного, желтого и черного.

Принтер связан с компьютером посредством кабеля принтера, один конец которого вставляется разъемом в гнездо принтера, а другой — в порт принтера компьютера. Порт — это разъем, через который можно соединить процессор компьютера с внешним устройством. Принтер обязательно имеет свой драйвер — программу, которая способна переводить (транслировать) стандартные команды печати компьютера в специальные команды, требующиеся для каждого принтера.

Матричные принтеры, оптимально сочетающие стоимость, скорость и качество печати, имеют умеренный уровень создаваемого при работе шума. Для печати на матричных принтерах применяется ударный элемент в виде сменного модуля, называемый печатной головкой. Печатная головка имеет несколько крошечных штырьков (обычно девять штук), близко расположенных друг к другу по вертикали. При поступлении сигнала от компьютера штырьки выскакивают из печатной головки и ударяют по красящей ленте, оставляя на бумаге отпечатки. Затем печатающая головка смещается на один шаг в сторону и печатает точки следующей вертикальной линии. Печать одного символа осуществляется за семь шагов перемещения печатающей головки в горизонтальном направлении. Окончив печатать строку текста, головка возвращается в первоначальное положение. Для увеличения скорости печати холостой ход головки обычно исключается, и при движении ее в исходное положение печатается следующая строка. Качество печати у матричных принтеров тем выше, чем больше число печатающих штырьков (их может быть 9, 18 или 24). Матричные принтеры позволяют печатать не только буквы и цифры, но и сложные графические изображения. Цвет печати на матричных принтерах определяется цветом красящей ленты. Чаще используется лента черного цвета. В некоторых принтерах применяются четырехцветные ленты (черный — красный — синий — желтый), что позволяет получать семицветную палитру.

Лепестковые принтеры отчасти напоминают матричные, но имеют шрифтоносителем вращающееся колесо с лепестками, напоминающее по форме цветок ромашки. Привод колеса осуществляется сервосистемой, обеспечивающей такой угол его поворота, при котором на позицию печати попадает требуемый знак (литера). Печать происходит на бумаге при ударе управляемого электромагнитом молоточка по лепестку «ромашки». Изгибаясь под ударом штырька, лепесток со шрифтом отпечатывает через красящую ленту изображение символа на бумаге. После этого «ромашка», молоточек и красящая лента перемещаются вдоль строки в заданную позицию и печатают следующий символ. Лепестковые принтеры обеспечивают высокое качество печати и относительно большую скорость. Недостаток лепестковых принтеров — высокий уровень шума, ограниченный набор символов (порядка 50—100, вследствие чего при переходе на другой алфавит приходится менять шрифтоноситель «ромашку»), и невозможность печати графических изображений.

Струйно-капельные принтеры напоминают матричные, но вместо штырьков, бьющих через красящую ленту, в печатающей головке установлены крошечные форсунки, выбрасывающие капельки чернил.

Термические принтеры имеют миниатюрные нагревательные элементы, выжигающие на теплочувствительной бумаге изображения цифр и букв.

Матричный и термический принтеры в настоящее время не выпускаются в виде отдельных устройств. Они теперь входят в состав кассовых и факсовых аппаратов.

Лазерные принтеры дают наивысшее качество печати при низком уровне шума и высокой скорости, однако цена их велика. Лазерные принтеры имеют печатающий барабан, несущий отрицательный электростатический заряд. Маломощный лазер, управляемый сигналами от компьютера, пробегает лучом по барабану и рисует на нем печатаемую строку. В месте контакта с лучом поверхность барабана меняет свой заряд. Вращаясь, печатающий барабан соприкасается с другим барабаном-девелопером, который подает красящий порошок (тонер). Красящий порошок прилипает к заряженным участкам печатающего барабана. При дальнейшем вращении печатающий барабан соприкасается с бумагой, несущей статический заряд, благодаря которому краска с барабана прилипает к бумаге. Затем лист бумаги прокатывается между двух валиков, нагревающих его до температуры выше 100 °С, благодаря чему краска «прикипает» к бумаге. Лазерные принтеры обеспечивают типографское качество печати — до 1200 бр1 (точек на дюйм). Качество печати у матричных принтеров — 200—300 бр1, у струйных принтеров — 350—700 брь

Применяемые лазеры: ионный аргоновый лазер (мощность не более 10 МВт) и инжекционный лазер.

Плоттер (графопостроитель). Это устройство, которое чертит графики, рисунки или диаграммы под управлением компьютера (рис. 2.30). Плоттеры используют в проектных институтах, конструкторских бюро и т. п. Бывают струйные и механические плоттеры. Струйные плоттеры устроены аналогично струйным принтерам, отличаясь только большими размерами. В механических плоттерах пишущий узел с перьями (шариковыми, керамическими или фитильными, как во фломастерах) перемещается относительно листа ватмана с помощью механических рычагов, или бумага, зажатая в прижимных устройствах, перемещается относительно пишущего узла.

Я-1

Плоттер Epson Eps Stylus Pro 7800

Рис. 2.30. Плоттер Epson Eps Stylus Pro 7800

Роликовые плоттеры прокручивают бумагу под пером, а планшетные плоттеры перемещают перо через всю поверхность горизонтально лежащей бумаги. Плоттеру, так же как и принтеру, обязательно нужна специальная программа-драйвер, позволяющая прикладным программам передавать ему инструкции: поднять и опустить перо, провести линию заданной толщины и т. п.

В корпус компьютера обычно встраивается динамик, способный выдавать звуковой сигнал одного тона в определенный момент времени. Для возможности прослушивания музыки в качественном исполнении, речи, звуковых эффектов необходимо оснастить компьютер звуковой приставкой — специальной платой Sound Blaster (англ. Sound Blaster — «выдувающий» звук), вставляемой в системный блок (корпус) компьютера, и подключаемыми к ней колонками.

Мощный компьютер, оснащенный этими и другими устройствами для создания звуковых эффектов, называют мультимедийным (англ, multimedia — «многие среды», т. е. возможность одновременно использовать текстовую, графическую, звуковую и видеоинформацию).

Сканер. Устройство, позволяющее вводить в компьютер в графическом виде текст, рисунки, слайды, фотографии, графики и др. Он создает оцифрованное изображение документа и помещает его в память компьютера.

Все сканеры можно разделить на несколько классов: ручные (протяженные) сканеры, настольные или планшетные сканеры, сканеры для прозрачных материалов и цифровые камеры. Главные различия между устройствами — стоимость, качество изображения и способ использования.

Дешевизна ручных сканеров обусловливается простотой их конструкции. В небольшом корпусе шириной не более 10—12 см размещаются лишь датчик и источник света. Сканирование осуществляется вручную последовательным перемещением сканера относительно оригинала. Устанавливаемая в компьютере карта интерфейса преобразовывает поступающую информацию в цифровую форму и передает ее для последующей обработки специальной программе. Ручные сканеры не могут сканировать широкие диапазоны оттенков и цветов, необходимых для качественного воспроизведения в издательстве. Они используются в сберегательных кассах для идентификации подписи, в магазинах для распознавания штрих-кода товаров и т. д.

К категории настольных сканеров относятся планшетные, роликовые, барабанные и проекционные сканеры. Они сравнительно дешевые, удобны тем, что размещаются на столе, давая возможность поместить сканируемый материал изображения или текста на стекло и накрыть крышкой. В процессе сканирования под стеклом перемещается механизм, освещающий документ ярким светом, который при отражении улавливается набором чувствительных датчиков. Сканеры успешно сканируют текстовые документы, фотографии, рисунки, т. е. отражающие оригиналы. На некоторые сканеры можно устанавливать устройства сканирования прозрачных материалов, что позволит сканировать слайды, фотографические негативы и другие виды пленок. В таком случае свет не отражается от оригинала, а проходит через него и лишь затем улавливается датчиками. Сканеры — пример SAD-систем (Sourse Attenuator Detecto — детектор источника затухания). Когда свет в сканере отражается от документа или проходит через него, амплитуда сигнала света ослабевает, что регистрируется датчиками сканера, измеряющими разницу между световыми значениями.

В большинстве сканеров используются CCD (Charged-coupled devices) — устройства с зарядовой связью, преобразующие свет в пиксели. Каждый сканер имеет линейный массив, состоящих из нескольких тысяч CCD, расположенных в ряд вдоль сканирующего механизма. В некоторых сканерах применяются датчики на комплементарных металло-оксидных полупроводниках CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), которые вначале появились в цифровых камерах. CMOS отличаются от CCD тем, что они существуют в виде отдельного блока. CCD и CMOS во время сканирования сравнивают электрический заряд до и после его отражения от сканируемого оригинала. Разница преобразуется в оттенок и определяет цвет пикселей.

В барабанном сканере оригинал прикрепляется к цилиндру из плексигласа. Во время сканирования вращается цилиндр, внутри которого располагается источник света, который при вращении освещает документ точка за точкой. Оптическая система барабанного сканера преобразует интенсивность проходящего света в пиксели. В барабанных сканерах используются датчики РТМ (Photomultiplier Tubes), которые работают аналогично вакуумной трубке, они очень чувствительны к входящим световым сигналам. Во время сканирования свет распределяется по трем РТМ-датчикам, по одному для красного, зеленого и синего компонентов.

Основная характеристика сканера — оптическое разрешение, измеряемое в ppi — пикселях на дюйм, в dpi — точках на дюйм, в spi, которое показывает количество выборок, сделанных сканером в одном дюйме (1 дюйм = 2,54 см), т. е. сколько раз сканер просматривает изображение при сканировании. Оптическое разрешение указывает, сколько пикселей сканер может считать в квадратном дюйме, что записывается следующим образом: 300 х 300, 300 х 600, 600 х 1200 и т. п.

Планшетные сканеры имеют разрешение от 300 до 1200 spi, устройства для прозрачного сканирования имеют разрешение от 2000 до 4000 spi, барабанные — вплоть до 9600 spi.

Динамический диапазон — это совокупность тех оттенков, которые может прочитать сканер, т. е. плотность, которой измеряют чувствительность сканера при распознавании деталей в самой светлой и самой темной областях изображения. Плотность использует алгоритмическую шкалу от 0,0 (совершенно чисто) до 4,0 (99 % света блокировано). У газетной бумаги обычная плотность равна 1,8; у высококачественной мелованной — примерно 2,0; фотослайды имеют плотность 3,0.

Монитор (дисплей). Основное устройство вывода информации. Имеются мониторы, основанные на электронно-лучевой трубке (обычном кинескопе) или жидких кристаллах (англ. Liquid Crystal Display — LCD). Кроме того, различают цветные и монохромные (одноцветные) мониторы.

Они предназначены для преобразования информации из вида, удобного для компьютера, в вид, удобный для пользователя. Монитор — основное на данный момент устройство вывода информации (рис. 2.31).

Монитор ASUS 20 PW 201

Рис. 2.31. Монитор ASUS 20 PW 201

В настоящий момент выпускаются следующие типы мониторов:

  • • на основе электронно-лучевой трубки;
  • • на жидких кристаллах;
  • • плазменные.

Сегодня монитор — самая дорогая часть компьютера. Монохромные мониторы дешевле цветных, недаром такие мониторы можно часто увидеть в банках, центрах управления сложными системами и т. п. Кстати, работа на монохромных дисплеях с оранжевым и зеленым цветами считается наименее утомительной для глаз.

Внутри корпуса монитора находится электронно-лучевая трубка и блок развертки (система отклонения электронного луча). Изображение на экране монитора формируется из множества расположенных рядами светящихся точек. Точки высвечиваются в результате удара электронного луча о внутреннюю поверхность экрана, на которую нанесен фосфоресцирующий состав — люминоформ. Электронный луч, управляемый системой отклонения, обегает экран строку за строкой слева направо сверху вниз, причем делает это десятки раз в секунду, благодаря чему изображение устойчиво для человеческого глаза.

Отличия монитора компьютера от обыкновенного телевизора состоят в следующем.

Во-первых, телепрограммы передаются телецентром непрерывно — каждую секунду 24 кадра, чтобы зрители могли постоянно видеть изображение на экране. Когда процессор выдает команду что-то вывести на экран, сформированное изображение необходимо также несколько раз в секунду передавать на монитор, иначе пользователь ничего не успеет увидеть. Поэтому изображение нужно запомнить и передавать на экран независимо от процессора, который в это время может выполнять другие операции. Эти функции осуществляет специальное устройство — видеоадаптер, играющий роль своеобразного телецентра, формирующего, хранящего и передающего изображения на экран дисплея.

Во-вторых, качество изображения на экране монитора должно быть значительно выше, чем на экране телевизора, поскольку пользователь смотрит на экран телевизора с относительно большого расстояния по сравнению с экраном компьютера. По этой же причине особую роль играет защита человека от разного рода излучений в дисплеях. Современные дисплеи должны соответствовать очень строгим требованиям, установленным международными нормами — стандартами. Следует помнить, что излучения возникают не только со стороны экрана, где конструкторы предусматривают максимально возможную защиту для человека, но и с задней стороны дисплея, где никакой защиты, как правило, не устраивается. Поэтому размещать компьютеры в помещении следует по периметру (вдоль стен), чтобы с задней стороны монитора люди в течение длительного времени не находились.

Монитор может работать либо в текстовом, либо в одном из графических режимов (видеорежимов).

В текстовом режиме на экран могут быть выведены только стандартные А8С11-символы. При этом экран разделяется на строки и столбцы: в стандартном случае 80 столбцов и 25 строк, границы между ними на экране не видны.

В графическом режиме изображение формируется из совокупности большого числа пикселей. Качество изображения в графическом режиме определяется разрешающей способностью — количеством пикселей по вертикали и горизонтали. Например, разрешающая способность 640 х 480 означает, что изображение формируется из 307 200 пикселей.

Графические режимы отличаются разрешающей способностью и палитрой — количеством выводимых цветов. Переключение между текстовым и различными графическими режимами осуществляется программным путем.

Мониторы различаются способностью поддерживать различные графические режимы. Как правило, для мониторов выполняется правило совместимости сверху вниз, которое означает, что дисплей может работать как в режимах с высокой разрешающей способностью и большим количеством выводимых цветов, так и в режимах, разработанных для дисплеев старых типов, — с меньшей разрешающей способностью и с меньшим количеством цветов.

Например, дисплеи типа УСА обеспечивают разрешающую способность 640 х 480, а дисплеи типа 8УОА — 800 х 600 и 1024 х 768. Если в описании программы указано, что она может быть использована на компьютерах с дисплеем типа УСА, то ее можно будет запустить и на ЭВМ с дисплеем типа 8УОА, а не наоборот.

Основные потребительские параметры монитора — размер экрана, его «зернистость» и максимальная частота регенерации изображения.

Размер монитора измеряется по диагонали, единицы измерения — дюймы. Стандартные размеры: 14, 15, 17, 19, 20, 21, 22, 24". В настоящее время в классе профессиональных компьютеров типовыми являются мониторы размером 17" и 19", а для рабочих мест, выполняющих операции с графикой, — 21".

Изображение на экране монитора получается в результате облучения люминофорного экранного покрытия остронаправленным пучком электронов, разогнанных «электронной пушкой». Для того чтобы получить цветное изображение, экран имеет три типа люминофорных покрытий, светящихся красным, зеленым и синим цветом. Они облучаются соответственно тремя электронными пушками, испускающими три пучка электронов. Для того чтобы на экране все три луча сходились строго в одну точку и изображение было четким, перед экраном ставят маску — панель с регулярно расположенными отверстиями. Чем меньше шаг между отверстиями (шаг маски), тем четче и точнее полученное изображение. Шаг маски называют зернистостью экрана и измеряют в долях миллиметра. В настоящее время наиболее распространены мониторы с зернистостью 0,25—0,27 мм. Устаревшие мониторы могут иметь зернистость до 0,43 мм, что негативно сказывается на органе зрения при работе с ПК. Модели повышенной стоимости могут иметь зернистость менее 0,25 мм.

Частота регенерации (обновления) изображения показывает, сколько раз в течение секунды монитор может полностью изменить изображение (поэтому ее также называют частотой кадров). Этот параметр зависит не только от монитора, но и от свойств и настроек видеоадаптера, хотя предельные возможности повышения частоты определяет все-таки монитор. Частота регенерации изображения измеряется в герцах (Гц). Чем она выше, тем четче и устойчивее изображение, тем меньше утомление глаз, тем больше времени можно работать с компьютером. Минимальным считается значение 75 Гц, хотя комфортная работа достигается после 85 Гц. Наилучшие модели мониторов обеспечивают частоту регенерации экрана более 100 Гц.

Видеоадаптер (видеокарта). Видеоадаптер — устройство, обеспечивающее вывод информации на монитор, представляет собой электронную схему на печатной плате, вставляемую в один из разъемов на системной плате. Основной элемент видеоадаптера — микросхема, называемая контроллером электронно-лучевой трубки, который является посредником между видеопамятью и монитором: он принимает биты информации из памяти и преобразует их в светящееся изображение на экране. Кроме того, в адаптере имеется ЯОМ-микросхема с матрицей выводимых на экран символов (знакогенератор) и видеопамять.

Видеопамять — это часть оперативной памяти, используемой для хранения электронного образа выводимого на экран изображения. В современных видеоадаптерах объем видеопамяти составляет от 1 до 8 Мбайт. Монитор и адаптер обычно рассматривают как одно целое и называют их видеоподсистемой компьютера. В текстовом режиме экран монитора условно разбивается на отдельные ячейки (знакоместа). В пределах каждого знакоместа можно разместить один произвольный символ. Каждый символ создается из пикселей в виде матрицы, как показано на рис. 2.32.

о

о

о

о

о

о

о

о

о

о

О

о

о

о

о

о

о

о

о

о

о

о

о

о

о

о

о

о

о

о

о

о

о

о

Рис. 2.32. Пример матрицы символа

На цветных мониторах каждому знакоместу соответствуют цвет символа и цвет фона, что позволяет выводить на экран цветные надписи. На монохромных дисплеях для выделения частей текста и участков экрана может использоваться повышенная яркость символов, подчеркивание текста и инверсное изображение (темные символы на светлом фоне). Курсор — светящийся символ на экране монитора, указывающий позицию, на которой будет отображаться следующий вводимый с клавиатуры знак.

Характеристики некоторых видеоподсистем при работе в графическом режиме представлены в табл. 2.5.

Таблица 2.5. Характеристики видеоподсистем

Тип

Год создания

Количество

цветов

Разрешающая

способность

CGA

1981

2

640 х 200

4

320 х 200

EGA

1985

16

640 х 350

VGA

1987

256

320 х 200

16

640 х 480

SVGA

1990-2007

От 256

От 640 х 480

(Super VGA)

до 16 677 256

до 1600 х 1200

Видеоадаптер содержит видеопамять, регистры ввода-вывода и модуль BIOS. Он посылает в дисплей сигналы управления яркостью лучей и сигналы развертки изображения. Основные характеристики видеокарты — модель, производитель, объем и тип видеопамяти, частота регенерации.

Тип видеопамяти влияет на скорость работы с текстовой и графической информацией. Быстрее работают видеокарты, построенные на микросхемах памяти VRAM, WRAM и SGRAM. Наиболее известные производители: Diamond, ATI, Matrox, Intel.

За время существования ПК сменилось несколько стандартов видеоадаптеров: MDA (монохромный); CGA (4 цвета); EGA (16 цветов); VGA (256 цветов). В настоящее время применяются видеоадаптеры SVGA (Super Video Graphics Array — супервидеографический массив), обеспечивающие по выбору воспроизведение до 16,5 млн цветов с возможностью произвольного выбора разрешения экрана из стандартного ряда значений (640 х 480; 800 х 600; 1024 х 768; 1152 х 864; 1280 х 1024 точек). Разрешение экрана должно соответствовать размерам монитора (14" — 640 x 480; 15" - 800 x 600; 17" - 1024 x 768; 19" - 1280 х 1024). Цветовое разрешение (глубина цвета) — минимальное требование по глубине цвета — 256 цветов, хотя большинство прикладных программ требуют не менее 65 тыс. цветов.

Видеоускорение — одно из свойств видеоадаптера, которое заключается в том, что часть операций по построению изображений может происходить без выполнения математических вычислений в основном процессоре компьютера, а чисто аппаратным путем — преобразование данных в микросхемах видеоускорителя. Основной параметр звуковой карты — разрядность, определяющаяся количеством битов, используемых при обработке звуковых сигналов и преобразовании их в цифровую форму.

Контроллер. Устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования (рис. 2.33).

Контроллер 115-232 СР2Б

Рис. 2.33. Контроллер 115-232 СР2Б

Микропроцессор рассматривает все устройства на системной шине как адресуемую память либо как порты ввода-вывода. Иначе говоря, под портом понимают некую схему сопряжения, которая обычно включает один или несколько регистров ввода-вывода (особых ячеек памяти). О совершении некоего события микропроцессор может узнать по сигналу, называемому прерыванием. При этом исполнение текущей последовательности команд приостанавливается (прерывается), а вместо нее начинает выполнятся другая последовательность, соответствующая данному прерыванию. Прерывания можно классифицировать как аппаратные, логические и программные. Аппаратные прерывания обычно связаны с запросами от периферийных устройств (например, нажатие клавиши клавиатуры), логические возникают при работе самого микропроцессора (деление на нуль), а программные инициализируются выполняемой программой и используются для вызова специальных подпрограмм. Кроме того, прерывания могут быть маскируемыми, т. е. при определенных условиях (например, запрете на определение прерывания) микропроцессор не обращает внимание на них, и немаскируемыми. В последнем случае, как правило, должны обрабатываться почти катастрофические события (падение напряжения питания или ошибка памяти).

В режиме прямого доступа DMA (Direct Memory Access) периферийное устройство связано с оперативной памятью непосредственно, минуя внутренние регистры микропроцессора. Наиболее эффективна такая передача данных в ситуациях, когда требуется высокая скорость обмена при передаче большого количества информации (например, при загрузке данных в память с внешнего накопителя). Довольно часто для адресов, номеров портов, прерываний и т. д. используется шестнадцатеричная система счисления. В этом случае после соответствующего числа стоит буква h (hexadecimal).

В первых компьютерах IBM PC применялась микросхема контроллера прерываний i8259 (Interrupt Controller), которая имела восемь входов для сигналов прерываний (IRQO—IRQ7). Микропроцессор одновременно может обслуживать только одно событие, и в выборе данного события ему помогает контроллер прерываний, который устанавливает для каждого из своих входов определенный уровень важности — приоритет.

Наивысший приоритет имеет линия запроса прерывания IRQ0, а наименьший — IRQ7, т. е. приоритет убывает в порядке возрастания номера линии. В современных моделях компьютеров количество линий прерывания увеличено до 15. В первых моделях для этого использовалось каскадное включение двух микросхем i8259.

В режиме прямого доступа DMA периферийное устройство связано с оперативной памятью непосредственно, а не через внутренние регистры микропроцессора. Наиболее эффективной такая передача данных бывает в ситуациях, когда требуется высокая скорость обмена для большого количества информации. Для инициализации процесса прямого доступа на системной шине используются соответствующие сигналы.

В компьютерах для организации прямого доступа в память используется четырехканальная микросхема DMA i8237, один канал которой предназначен для регенерации динамической памяти, другие каналы служат для управления высокоскоростной передачей данных между дисководами гибких дисков, винчестером и оперативной памятью.

Аудиоадаптер (звуковая плата). Это специальная электронная плата, которая позволяет записывать звук, воспроизводить его и создавать программными средствами с помощью микрофона, наушников, динамиков, встроенного синтезатора и другого оборудования (рис. 2.34).

Звуковая карта Creative

Рис. 2.34. Звуковая карта Creative

Аудиоадаптер содержит два преобразователя информации: аналого-цифровой, который преобразует непрерывные (т. е. аналоговые) звуковые сигналы (речь, музыку, шум) в цифровой двоичный код и записывает его на магнитный носитель; цифроаналоговый, выполняющий обратное преобразование сохраненного в цифровом виде звука в аналоговый сигнал, который затем воспроизводится с помощью акустической системы, синтезатора звука или наушников.

Профессиональные звуковые платы позволяют выполнять сложную обработку звука, обеспечивают стереозвучание, имеют собственное ПЗУ с хранящимися в нем сотнями тембров звучаний различных музыкальных инструментов.

Область применения звуковых плат — компьютерные игры, обучающие программные системы, рекламные презентации, «голосовая почта» (voice mail) между компьютерами, озвучивание различных процессов, происходящих в компьютерном оборудовании.

Слоты расширения. Предназначены для установки карт различного назначения, расширяющих функциональные возможности компьютера. На слоты выводятся стандартные шины расширения ввода-вывода, а также промежуточные интерфейсы. Стандартизованные шины расширения ввода-вывода обеспечивают основу функциональной расширяемости компьютера, который не должен замыкаться только на выполнении сугубо вычислительных задач. Хотя многие компоненты, ранее размещаемые на платах расширения, постепенно перемещаются на системную плату, для настольных компьютеров набор шин расширения ввода-вывода имеет большое значение.

В настоящее время используются следующие шины расширения: PCI, AGP, ISA-8, ISA-16, PCMCIA (слот расширения блокнотных компьютеров). Иногда на системных платах встречаются следующие платы: EISA, MCA, VLB.

Шина AGP использует разъем типа «СЛОТ», конструктивно представляющий собой щелевой разъем, в котором контакты разнесены по высоте в два ряда. AGP — выделенный порт для подключения графического акселератора, в зависимости от системной карты он может работать в нескольких режимах — двух, четырех и восьми. В зависимости от режима меняется пропускная способность шины.

TV-тюнеры. Это видеоплаты, превращающие компьютер в телевизор (рис. 2.35). TV-тюнер позволяет выбрать любую телевизионную программу и отобразить ее на экране в масштабируемом окне. Таким образом, можно следить за ходом передачи, не прекращая работу за компьютером.

ТУ-тюнер АУегМесИа

Рис. 2.35. ТУ-тюнер АУегМесИа

Клавиатура. Клавишное устройство управления ПК, которое служит для ввода знаковой информации (букв, цифр и других символов) и команд управления. Комбинация монитора и клавиатуры обеспечивает простейший интерфейс пользователя. С помощью клавиатуры управляют компьютерной системой, а с помощью монитора получают от нее отклик. Стандартная клавиатура имеет более 100 клавиш, распределенных по нескольким группам:

  • • буквенно-цифровые;
  • • управляющие;
  • • функциональные;
  • • цифровая клавиатура;
  • • управления курсором;
  • • световые индикаторы функций.

На клавиатуре выделяют следующие типы клавиш.

  • 1. Функциональные клавиши (FI —F12) в разных программах выполняют различные команды.
  • 2. Алфавитно-цифровая клавиатура (48 клавиш в пяти рядах) служит для ввода букв, цифр и других символов. Каждая клавиша алфавитно-цифровой клавиатуры имеет два регистра. В нижнем регистре, который работает постоянно, вводятся строчные буквы и цифры. В верхнем регистре, который работает, только если нажата клавиша Shift, вводятся прописные буквы и специальные символы.

К алфавитно-цифровой клавиатуре относятся служебные клавиши:

  • • Esc — позволяет отказаться от выполнения некоторых команд или закрыть диалоговое окно программы;
  • • Tab (табулятор) — создает длинный пробел (табуляцию) между символами;
  • • Caps Lock — включает режим постоянного ввода прописных букв;
  • • Enter — создает новый абзац, а также используется для ввода команды;
  • • Back Space — удаляет символ слева от текстового курсора;
  • • Delete — удаляет символ справа от текстового курсора.

С помощью клавиш Shift, Ctrl, Alt создаются «горячие клавиши» — сочетания клавиш, за которыми закреплено быстрое выполнение различных команд.

  • 3. Пшвиши управления курсором. К ним относятся клавиши: Номе — в начало текущей строки, End — в конец строки, Page Up — вверх на экран, Page Down — вниз на экран. Четыре клавиши со стрелками (вверх, вниз, влево, вправо) перемещают курсор вправо, влево, вверх или вниз.
  • 4. Цифровая клавиатура может работать в режимах, которые изменяются клавишей Num Lock: 1) индикатор клавиши Num Lock горит: можно вводить цифры и знаки арифметических one-раций; 2) индикатор клавиши Num Lock не горит: клавиши работают в режиме управления курсором.

Манипуляторы (мышь, джойстик, трекбол, дигитайзер). Это специальные устройства, используемые для управления курсором.

Мышь — устройство управления манипуляторного типа. Представляет собой плоскую коробочку с двумя-тремя кнопками. Перемещение мыши по плоской поверхности синхронизировано с перемещением графического объекта (указателя мыши) на экране монитора. Мышь связана с компьютером кабелем через специальный блок — адаптер, и ее движения преобразуются в соответствующие перемещения курсора по экрану дисплея. В верхней части мыши расположены управляющие кнопки, позволяющие задавать начало и конец движения, осуществлять выбор меню и т. п.

В отличие от клавиатуры мышь не может напрямую использоваться для ввода знаковой информации — ее принцип управления является событийным. Анализируя действия с помощью обрабатывающих программ, вычислительная система устанавливает, в каком месте экрана в этот момент находился указатель мыши. Интерпретация этих данных позволяет вычислительной системе установить команду пользователя и приступить к ее исполнению. Комбинация монитора и мыши обеспечивает наиболее современный тип интерфейса пользователя, который называется графическим. Пользователь наблюдает на экране графические объекты и элементы управления. С помощью мыши он изменяет свойства объектов и приводит в действие элементы управления компьютерной системой, а с помощью монитора получает от нее отклик в графическом виде.

Джойстик — манипулятор, выполняемый в виде рычажка (ручки) на массивном основании. Управляющие сигналы вырабатываются движениями ручки и нажатием кнопки (или кнопок) на ней. Джойстики, как правило, используют для работы с игровыми программами. В некоторых моделях в джойстик монтируется датчик давления. В этом случае чем сильнее пользователь нажимает на ручку, тем быстрее движется курсор по экрану дисплея.

Трекбол — небольшая коробка с шариком, встроенным в корпус ноутбука. Он представляет собой шарик, как правило, встраиваемый в клавиатуру, который вращают пальцами. Пользователь рукой вращает шарик и соответственно перемещает курсор. В отличие от мыши трекбол не требует свободного пространства компьютера, его можно встроить в корпус машины. Трекбол обычно используется в переносных компьютерах — ноутбуках.

Графический планшет (дигитайзер (англ, digitizer) — оцифро-выватель) — планшет, покрытый сеткой пьезоэлементов, вырабатывающих электрический ток при механическом воздействии. Он представляет собой плоскую панель — планшет, располагаемую на столе, и специальный инструмент — перо, с помощью которого указывается позиция на планшете. При перемещении пера по планшету фиксируются его координаты в близко расположенных точках, которые затем преобразуются в компьютере в требуемые единицы измерения. Дигитайзеры, как правило, используются для ввода карт или планов в ЭВМ. Световым пером также указываются координаты определенной точки, но непосредственно на экране дисплея. На конце пера имеется фотоэлемент, которым при поднесении к экрану фиксируется момент попадания на него электронного луча, формирующего изображение. На основе этого вычисляются координаты точки, к которой поднесено световое перо в данный момент времени. Дигитайзер — устройство для преобразования готовых изображений (чертежей, карт) в цифровую форму.

Факс. Это устройство факсимильной передачи изображения по телефонной сети. Название «факс» произошло от слова «факсимиле» (лат. facsimile — сделай подобное), означающего точное воспроизведение графического оригинала (подписи, документа и т. д.) средствами печати. Модем, который может передавать и получать данные как факс, называется факс-модемом.

Устройства телекоммуникации. Предназначены для связи удаленных компьютеров между собой с помощью специального языка, который называется протоколом обмена информацией. В настоящее время наиболее прогрессивный — протокол TCP/IP. Каждый компьютер, работающий по этому протоколу, должен иметь уникальный в данной сети 1Р-адрес.

Этот адрес состоит из четырех групп чисел, каждое из которых принимает значение от 0 до 255, например 192.168.0.20.

Различают два вида устройств телекоммуникации:

  • • сетевые платы — предназначены для связи компьютеров на расстоянии не более 100 м. С помощью сетевых плат можно организовать локальную сеть, обеспечивающую высоко-скоростнои связью компьютеры, находящиеся в пределах одного здания;
  • • хабы — активные разветвители сигналов. Используются в том случае, когда требуется передать сигнал большому количеству компьютеров или на большее расстояние, чем могут сетевые платы.

Модем (аббревиатура слов модулятор—демодулятор). Устройство, преобразующее информацию к виду, в котором ее можно предавать по линиям связи, в частности по телефонным линиям. Модемы бывают внутренние (вставляемые в корпус компьютера) и внешние (представляющие собой отдельные устройства, подключаемые к компьютеру и телефонной линии). Кроме того, различают телефонные модемы, позволяющие передавать только текстовые сообщения, и факс-модемы, позволяющие передавать и графические изображения (рис. 2.36).

Разновидности модемов

Рис. 2.36. Разновидности модемов: а — модем Ьв 460; б — модем АОБЬ2

Цифровые сигналы, вырабатываемые компьютером, нельзя напрямую передавать по телефонной сети, потому что она предназначена для передачи человеческой речи — непрерывных сигналов звуковой частоты. Модем обеспечивает преобразование цифровых сигналов компьютера в переменный ток частоты звукового диапазона — этот процесс называется модуляцией, а также обратное преобразование, которое называется демодуляцией.

Модемы бывают внешние, выполненные в виде отдельного устройства, и внутренние, представляющие собой электронную плату, устанавливаемую внутри компьютера.

Модемы подразделяются на следующие типы:

  • • телефонные модемы для связи по телефонной линии;
  • • радиомодемы для связи по радио (многие мобильные телефоны обеспечивают связь на скорости до 57 Кбод);
  • • модемы для выделенной линии обеспечивают высокоскоростную связь (до 100 Мбод) между удаленными компьютерами по выделенной линии;
  • • АОЗЬ-модемы обеспечивают высокоскоростную связь по обычным телефонным проводам (или проводам электросети) на скорости до 7 Мбод, не мешая одновременному использованию телефона по прямому назначению для обычных разговоров.

Модем предназначен для связи удаленных компьютеров, и почти все они поддерживают функции факсов.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>