cl-Ast-informatikaУЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

трехмерных изображений в 1996 году фирмой Intel был предложен выделенный интерфейс для подключения видеокарты — AGP (Accelerated Graphics Port — высокоскоростной графический порт). Чип был разделен на два моста (рисунок 8): "северный" (North Bridge) и "южный" (South Bridge). Северный мост связывал ЦП, память и видеокарту. Собственно мост PCI, обслуживающий остальные устройства ввода/вывода в системе, реализован на основе южного моста. Интерфейс AGP по топологии не является шиной, так как обеспечивает только двухточечное соединение, т.е. один порт AGP поддерживает только одну видеокарту. Претендентами на замену AGP являются универсальные интерфейсы локальной шины Hyper Transport и PCI Express/

Низкоскоростная шина

Устройство устройств ввода/вывода ввода/вывода

Видеосистема

Устройство

расширения

Рис. 7 Система на основе PCI-AGP

1.4.2 Интерфейсы периферийных устройств

Первоначально для подключения накопителей к IBM PC использовались интерфейсы низкого уровня, классифицируемые как интерфейсы на уровне устройства. Для них характерно, что их сигналы являются функцией генерирующего и использующего их устройства. Основная нагрузка по обработке данных лежала на контроллере или процессоре, что негативно отражалось на скоростных характеристиках накопителей.

Интерфейсы системного уровня используют сигналы в логике центрального процессора, что предполагает реализацию функций контроллера накопителя в самом накопителе. В IBM PC таким интерфейсом является EIDE/ATA. Он представляет собой "приставку" к 16-битной шине ISA, иначе называемой AT Bus, поэтому стандарт именуется AT Attachment (ATA). Другое название интерфейса — Enhanced Integrated Drive Electronics (EIDE). Первая спецификация ATA (IDE) определяла возможность подключения двух устройств к одному интерфейсу. Спецификация ATA-2 позволяла, подключать до четырех устройств. С внедрением стандарта ATA-4 на поддержку пакетных команд (ATAPI — ATA Packet Interface) стало возможным подключение устройств со сменным накопителем. После появления последовательного интерфейса

Serial ATA (SATA) принято ссылаться на EIDE/ATA как Parallel ATA.

Кроме перечисленных интерфейсов, для подключения накопителей используются универсальные периферийные интерфейсы: SCSI, USB, FireWire и т.п.

40

Интерфейс SCSI был разработан в конце 1970-х годов и предложен организацией Shugart Associates. Первый стандарт на этот интерфейс был принят в 1986 г.

Интерфейс SCSI определяет только логический и физический уровень. Устройства, подключенные к шине SCSI, могут играть роль Ведущего (Initiator) и/или Ведомого (Target). К шине может быть подключено до восьми устройств. Каждое устройство на магистрали имеет свой адрес (SCSI ID) в диапазоне от 0 до 7. Одно из этих устройств — хост-адаптер SCSI (ID = 7) — предназначено для осуществления обмена с процессором.

Чтобы гарантировать качество сигналов на магистрали SCSI, линии шины должны быть с обеих сторон согласованы при помощи терминаторов. Терминаторы — устройства для согласования уровней сигналов в цепи, уменьшающие помехи и затухание.

Взаимодействие между устройствами осуществляется по принципу «отправитель

— адресат». Отправитель инициирует запрос и, дождавшись ответа от адресата, начинает обмен данными. Данные по шине SCSI передаются синхронно (адресат подтверждает получение пакета данных) или асинхронно (адресат подтверждает получение каждого байта).

В 1994 году Ассоциацией инфракрасной передачи данных (Infra-Red Data Assotiation) была принята первая версия стандарта IrDA.

Интерфейс IrDA позволяет соединяться с периферийным оборудованием без кабеля при помощи инфракрасного излучения с длиной волны 850-900 нм.

Порт IrDA дает возможность устанавливать связь на коротком расстоянии до 1 метра в режиме "точка-точка".

Инфракрасный (ИК) интерфейс позволяет передавать данные 10-битными словами: 8 бит данных, один стартовый бит в начале и один стоповый бит в конце посылки. Воздушный промежуток между устройствами позволяет принять ИК-энергию только от одного источника в данный момент времени.

Способ кодирования данных: логический "0" передается одиночным ИКимпульсом длиной от 1,6 мкс до 3/16 периода передачи битовой ячейки, а логическая "1" передается как отсутствие ИК-импульса.

Стандарт IrDA описывает архитектуру с одним главным и множественными подчиненными устройствами. Схема обращения устройств представляет собой протокол обмена данными с запросами и ответами. Первичное устройство отвечает за организацию соединения и за обработку ошибок. Посланные им кадры называются управляющими. Пакеты вторичных устройств именуются ответными.

Спецификация периферийной шины USB была разработана лидерами компьютерной и телекоммуникационной промышленности (Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC и Northern Telecom) для подключения компьютерной периферии вне корпуса ПК с автоматическим автоконфигурированием (Plug&Play).

Первая версия стандарта появилась в 1996 г.

Интерфейс USB представляет собой последовательную, полудуплексную (данные передаются в обоих направлениях, но не одновременно) шину со скоростью обмена:

USB 1.1 — 1,5 Мбит/с или 12 Мбит/с;

USB 2.0 — 480 Мбит/с.

Архитектурой USB предусмотрена топология «звезда». То есть, в системе должен быть корневой концентратор, к которому подключаются периферийные концентраторы, а к ним уже — устройства USB. Корневой концентратор может поддерживать до 127 физических устройств, периферийные могут подключаться друг к другу, образуя каскады.

Спецификация USB определяет 2 части интерфейса: внутреннюю и внешнюю. Внутренняя часть делится на аппаратную (корневой концентратор и контроллер USB) и программную (драйверы контроллера, шины, концентратора, клиентов). Внешнюю часть представляют устройства (концентраторы) USB.

41

1.5 ОПЕРАТИВНОЕ ЗАПОМИНАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) — устройство, предназначенное для хранения и текущего изменения информации при работе компьютера; работает с очень большой скоростью, поэтому программы и переносятся в эту память; после выключения питания информация теряется.

Оперативная память (ОП) является основной памятью для хранения информации. Она организована как одномерный массив ячеек памяти размером в 1 байт. Каждый из байтов имеет уникальный 20 битный физический адрес в диапазоне от 00000 до FFFFFh. Таким образом, размер адресного пространства ОП составляет 220 = 1Мбайт. Любые два смежных байта в памяти могут рассматриваться как 16-битовое слово.

Команды, байты и слова данных можно размещать по любому адресу, что позволяет экономить память. Для экономии времени выполнения программ слова размещают в памяти, начиная с четного адреса, так как микропроцессор передает такие слова за один цикл работы шины. Слово с четным адресом называется выровненным по границе слов.

*24

Рис. 9 Схема получения физического адреса

Адресное пространство — это набор адресов, формируемых процессором. Адреса делятся на виртуальные (логические) и физические — реальные адреса реальных ячеек памяти. Адресное пространство ОП делится на сегменты. Сегмент состоит из смежных ячеек ОП и является независимой и отдельно адресуемой единицей памяти. В базовой архитектуре ПК единица памяти имеет фиксированную емкость 216 = 64Кбайт. Каждому сегменту назначается базовый адрес — адрес первого байта сегмента.

Физический адрес ячейки складывается из адреса сегмента и смещения ячейки памяти относительно начала сегмента. Для хранения адреса сегмента и смещения используются 16-битовые слова. В соответствии с алгоритмом вычисления физического адреса, начальные адреса сегментов всегда кратны 16. Для получения 20-битового физического адреса, микропроцессор умножает значение базового адреса сегмента на 16 (сдвиг на 4 разряда влево) и суммирует со значением смещения в сегменте. В результате получается 20-битовое значение физического адреса (рисунок 9).

1.5.1 Типы элементов оперативной памяти

Буква D в наименовании элемента DRAM означает "динамический" Если информация, записанная в данный элемент в течение нескольких миллисекунд останется невостребованной, она будет утрачена, так как конденсаторы, составляющую основу DRAM, разрядятся.

43

Микросхемы DRAM используются в качестве составных элементов модулей

памяти.

FPM DRAM — микросхемы DRAM, реализующие страничный режим памяти; появились в моделях PC с процессором 80486.

EDO DRAM — с расширенным выводом данных. Применяется в PC с процессором Pentium. Быстродействие модулей EDO RAM на 10 — 15% выше, чем FPM DRAM. BEDO DRAM — разновидность EDO DRAM; автоматическая выборка операндов, требующихся для передачи.

CDRAM, EDRAM — основаны на интеграции небольшого количества ячеек быстрой памяти SRAM (статическая RAM); CDRAM (Cache DRAM) и EDRAM (Enhanced DRAM)

1.SDRAM — синхронная DRAM; все операции синхронизированы с тактовой частотой центрального процессора.

2.RDRAM — 9-разрядные микросхемы, работающие на тактовой частоте до

800 МГц.

3.SDRAMM II (DDR) — DRAM с удвоенной скоростью передачи данных; работа микросхемы синхронизирована с системными таймером, который управляется центральным процессором.

4.DIMM-модули. Благодаря повышенной разрядности шины данных обеспечивают более высокую производительность подсистемы ”ЦП — ОП”.

Синхронная оперативная память (DIMM SDRAM) разработана для синхронизации работы памяти с тактами работы центрального процессора. Синхронная память имеет таймер ввода данных. Это значит, что контроллер памяти точно знает цикл таймера, на котором будут обработаны запрошенные данные.

Переход на DDR увеличивает общую производительность системы на 5-10% при использовании процессоров Duron или Celeron. Использование Athlon или Pentium 4 дает 10-20%. Переход с DDR на RDRAM увеличивает общую производительность системы в среднем на 5%.

1.6 ВИНЧЕСТЕР

Винчестеры служат в компьютерах основными устройствами массовой памяти. Базой для совершенствования является развитие технологии магнитной записи, которое обеспечивает постоянное возрастание емкости при снижении стоимости. Если для процессора главное — производительность, то для винчестера — емкость. Предел того и другого определяется уровнем технологии.

Винчестер содержит один или несколько собственно магнитных дисков (носителей). Количество магнитных головок равно количеству рабочих поверхностей. У традиционных накопителей повышение плотности записи автоматически ведет к росту производительности жестких дисков, так как при прочих равных условиях за единицу времени считывается больше информации. Рост производительности достигается также и за счет улучшения частоты вращения и среднего времени поиска, пропускной способности интерфейса.

Для моделей жестких дисков массового применения с интерфейсом IDE частота вращения составляет 7200 об/мин, а среднее время поиска 9 мс. Более высокие параметры — частота вращения 10000 об/мин и среднее время поиска 5 мс — достигаются только в жестких дисках высокого класса с интерфейсом SCSI.

Универсальность современных жестких дисков заключается в том, что они одинаково успешно справляются с широким кругом задач, включая аудио- и видео приложения, для которых недопустимы перерывы в передаче информации. Надежная работа жестких дисков гарантируется:

•большим сроком службы компонентов (5-7 лет);

•средней наработкой на отказ от 500 тыс. до 1 миллиона часов и более;

•системой активного контроля за состоянием узлов диска SMART.

44

Современные жесткие диски способны выдерживать перегрузку от удара в рабочем состоянии до 55 G, в выключенном состоянии до величины в 400G. Это характерно для новых дисков с пластинами на основе подложки из стекла, для остальных показатели раза в два меньше.

Технические характеристики накопителей

Диаметр дисков определяет плотность записи на дюйм магнитного покрытия. Накопители с меньшим диаметром больших объемов имеют более высокотехнологичные поверхности и высокие плотности записи информации.

Число поверхностей определяет количество физических дисков, нанизанных на шпиндель (ось дисковода), т.е. физический объем накопителя и скорость выполнения операций на одном цилиндре.

Число цилиндров определяется количеством дорожек, расположенных на одной поверхности.

Число секторов на всех дорожках всех поверхностей определяет физический неформатированный объем устройства.

Частота вращения шпинделя определяет время, затраченное на последовательное считывание одной дорожки или цилиндра.

Время успокоения головок с момента окончания позиционирования на требуемую дорожку до момента начала операции чтения/записи.

Время установки, затрачиваемое на перемещение головок к нужному цилиндру из произвольного положения.

Время ожидания для прохода нужного сектора под головкой чтения/записи. Время доступа определяется временем, затраченным на установку головок и

ожидание сектора.

Среднее время доступа к данным определяется временем, прошедшим с момента получения запроса на операцию чтения/записи от контроллера, до физического выполнения данной операции.

Скорость передачи данных, с которой данные считываются или записываются на диск, является характеристикой контроллера и интерфейса.

Внешняя скорость передачи данных показывает, с какой скоростью данные считываются из буфера накопителя в оперативную память.

Внутренняя скорость передачи данных отражает скорость передачи данных между головками и контроллером накопителя; зависит от частоты вращения шпинделя.

Размер кэш-буфера контроллера. Кэш призван сгладить большую разницу в быстродействии между дисковой и оперативной памятью.

Средняя потребляемая мощность, влияющая на температуру, от которой зависит коэффициент расширения/сжатия магнитного носителя.

1.7 КЛАВИАТУРА

Клавиатура — устройство ввода в ПК команд, данных и управляющих воздействий.

Старые клавиатуры имели 84 клавиши, новые — 101/104 плюс дополнительно 16

клавиш мультимедиа (Internet, E-mail и т.п.). Средства мультимедиа (multimedia —

многосредовость) — комплекс аппаратных и программных средств, позволяющих человеку общаться с компьютером посредствам естественной среды (звук, видео, графика, анимация).

Блок клавиатуры содержит датчики клавиш, электронные схемы дешифрации и контроллер, который состоит из буферной памяти и схемы управления. Блок подключается к основной плате ПК с помощью 4-проводного интерфейса (передача тактовых импульсов, данных, напряжения питания +5 вольт и 0).

45

Контроллер клавиатуры осуществляет:

•опрос состояния клавиш;

•запоминание в буфер до 20 отдельных кодов клавиш на время между двумя соседними опросами клавиатуры микропроцессором;

•преобразование кодов нажатия клавиш (scan-кодов) в коды ASCII с помощью хранящихся в ПЗУ таблиц драйвера клавиатуры;

•тестирование клавиатуры при включении ПК;

•автоматическое повторение клавишной операции.

Основной принцип работы клавиатуры заключается в сканировании переключателей клавиш. Замыканию и размыканию любого из этих переключателей соответствует уникальный цифровой код — scan-код. В случае, когда клавиша отпускается, клавиатура IBM PC AT предваряет scan-код кодом F016. Когда контроллер клавиатуры фиксирует нажатие или отпускание клавиши, он инициирует аппаратное прерывание. Если в клавиатурах компьютеров типа IBM PC XT передача данных может осуществляться только в одном направлении, то в клавиатурах типа IBM PC AT подобная связь возможна уже в двух направлениях, т. е. клавиатура может принимать специальные команды (установки параметров задержки автоповтора и частоты автоповтора).

При работе с клавиатуры в буфер контроллера поступает код нажатия (0) или отпускания (1) клавиши, который записывается в 7-й бит байта; номер клавиши или ее scan-код записывается в остальные 7 бит. При поступлении информации в буфер контроллера посылается запрос на аппаратное прерывание. При обработке прерывания scan-код преобразуется в ASCII и оба кода пересылаются в ОЗУ. По наличию кода отпускания идет проверка, все ли клавиши отпущены в момент нажатия следующей клавиши, если нет, то возможно была использована комбинация клавиш (Сtrl+F1 и т.п.) Если клавиша нажата более 0.5 с, то генерируются повторные коды нажатия клавиши через регулярные интервалы времени.

С малой цифровой клавиатуры при нажатой клавише Аlt можно ввести десятичный код любого символа из таблицы ASCII-кодов.

1.8МОНИТОР

1.8.1Видеоконтроллер

Аббревиатура SVGA (Super VGA) относится к любому увеличению разрешающей способности, количеству цветовых режимов и псевдостандартов, которые созданы, чтобы расширить пределы возможностей VGA.

Самый популярный SVGA-стандарт — это набор стандартов, созданных VESA (Video Electronics Standards Association).

Обработка графической информации в видеокартах поддерживается собственными мощными процессорами и, все равно, в значительной мере загружает центральный процессор компьютера. Исключение — платы с установленными геометрическими сопроцессорами от фирмы 3Dfx.

За 1998-2001 годы скорость обработки графических данных выросла в 20 —30 раз, что намного превышает общий темп компьютерного развития.

До появления ускорителей всю работу выполнял центральный процессор. Процессор рассчитывал цвет каждого пикселя в общем изображении кадра на экране, а видеокарта переводила цифровые данные в аналоговые сигналы, понятные монитору. Ускорение — это помощь процессору, когда он может давать видеокарте общие команды (нарисовать треугольник формы А в области экрана В и залить его цветом С). Дальнейшие вычисления с точностью до пикселя берет на себя видеокарта.

46

Формирование объемной ЗD-картинки — гораздо более сложная задача. Процессор выделяет в них не единицы, а сотни граней. Общее число примитивов (треугольников, из которых складываются объекты) в современных играх доходит до нескольких миллионов. Кроме того, необходимо учесть применение специальных эффектов, усиливающих реалистичность картины: алгоритмов сглаживания, затуманивания, прозрачности и зеркальности объектов. В итоге получается суперсложная компьютерная задача, с которой центральный процессор компьютера не в состоянии справиться без помощника — ЗD-ускорителя.

Современная видеокарта является компьютером в компьютере, поскольку у нее есть собственные процессор, память, внутренняя шина передачи данных.

Видеоадаптер выполняет согласование монитора с системной шиной, вырабатывая сигналы синхронизации и видеосигналы RGB (Red, Green, Blue), которые подаются на вход монитора. Видеоадаптеры снабжены оперативной памятью, в которой хранится информация об изображении в виде матрицы. Объем видеопамяти влияет на разрешение и количество воспроизводимых цветов. Разрешение — количество пикселей по вертикали и горизонтали. Память видеоадаптера утроена так, что на пиксель приходится либо 4 бита, либо целое количество байтов.

Соответствие объема памяти, количества цветов и разрешения

1.8.2 Мониторы CRT

CRT — Cathode Ray Tube — электронно-лучевая трубка.

Мониторы на базе электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) по принципу действия мало чем отличаются от обычного телевизора: испускаемый электронной пушкой пучок электронов, попадая на экран, вызывает его свечение. На внутреннюю поверхность экрана кинескопа нанесены три типа люминофорных элементов с заданным спектральным диапазоном. Люминофорные элементы светятся под воздействием электронного потока. Теневые маски и решетки служат для ограничения размера электронных пучков.

Любое текстовое или графическое изображение на экране монитора состоит из множества дискретных точек люминофора, именуемых пикселями (pixel — picture element). Поэтому такие дисплеи называют растровыми. В случае цветного монитора имеются три электронных пушки с отдельными схемами управления, а на поверхность экрана нанесен люминофор трех основных цветов: R (Red, красный), G (Green, зеленый), B (Blue, синий). Эти цвета называются первичными, поскольку путем сложения соответствующего их количества можно получить любой другой цвет. При формировании одного кадра изображения электронные пучки, испускаемые электронной пушкой, проходят по строке, подсвечивая нужные пиксели с заданной интенсивностью. Процессом развертки луча управляют синхросигналы видеоадаптера.

Разрешающая способность и цветовая палитра определяются как возможностями самого монитора, так и возможностями контроллера SVGA. Качество изображения, получаемого на экране монитора, зависит от параметров электронно-лучевой трубки:

47

размеры экрана и "зерна"; оптическое разрешение, определяющее количество отображаемой информации и возможную степень ее детализации; скорость обновления изображения (частота кадровой развертки), определяющая степень подавления мерцания.

Размеры экрана монитора: 14-дюймовый (36 см), 15-дюймовый (39 см), 17-дюймовый (44 см), 19-дюймовый (49 см) и 21-дюймовый (54 см) и т.д. Цифры в дюймах (сантиметрах) указывают размер ЭЛТ по диагонали.

Размер зерен экрана: (0.22, 0.26, 0.28, 0.29, 0.31). Чем меньше зерно, тем лучше изображение

В цветном мониторе разрешение соответствует одной триаде RGB. Шаг точки равен расстоянию между соседними триадами.

R

B G

Рис. 10 Триада RGB

Время послесвечения люминофора и частота регенерации экрана должны соответствовать друг другу. Если послесвечение больше, то наблюдается размытость и удвоение кадров, если меньше, то заметно мелькание изображения.

При регенерации с частотой в 60 Гц. наблюдается мерцание экрана. С ростом возможностей компьютера, стандартной стала сначала частота 75 Гц, затем 85 Гц, а рекомендуется частота 100 Гц в любых экранных разрешениях.

Классы ЭЛТ по принципу формирования цветного изображения

1.С теневой маской; структура экрана в виде триад из точек люминофора основных цветов; электронный пучок направляется на люминофор соответствующего цвета с помощью теневой маски — параллельной экрану тонкой пластины с круглыми отверстиями

2.С апертурной решеткой; структура экрана в виде вертикальных чередующихся полос люминофора основных цветов; вместо теневой маски используется решетка из вертикально натянутых тонких струн.

Есть третий гибридный тип маски кинескопа — щелевая маска. В отличие от

теневой маски точки не круглые, а прямоугольные, что позволяет получить стабильное изображение с высокой контрастностью.

В мониторах с плоским экраном LG Flatron используется прямоугольная форма точки.

Для уменьшения бликов от внешних источников света и эффекта электризации на поверхность монитора наносятся антибликовые и антистатические покрытия

1.8.3 Мониторы LCD

LCD — Liquid Crystal Display — жидкокристаллический дисплей.

Жидкие кристаллы — нечто среднее между кристаллической структурой и жидкостями — представляют собой сложные органические вещества. Анизотропия — зависимость свойств среды от направления — основная особенность жидких кристаллов.

Приложенное к ЖК-слою напряжение (1,5-3 В) приводит к изменению ориентации жидкого кристалла. При воздействии переменного поля группы молекул кристалла скручиваются или выпрямляются, что приводит к рассеиванию лучей света.

Разбиение экрана на определенное количество пикселей происходит по специальной матрице. Матрица состоит из двух слоев с взаимно перпендикулярными проводниками. Пиксель — это ячейка, полученная пересечением проводников. Существует два типа матриц: пассивная и активная.

48

Структура электрооптической ячейки

Стеклянная пластинка

Проводящий слой — электрод

Прокладка из непроводящего материала

Жидкий кристалл 5-50мкм

Прокладка из непроводящего материала

Проводящий слой — электрод

Стеклянная пластинка

Принцип работы пассивной матрицы

На заданные столбцы подается напряжение, затем построчно сверху вниз пропускается ток. И так постоянно. При перекрещивании столбца и строки кристалл меняет структуру. Для смены изображения напряжение подается на другие столбцы. Для отдельных пикселей производится последовательная установка строк, т.е. при выборе строки напряжение подается на нужный столбец. Из-за малой скорости построчного пропускания тока используются жидкие кристалла с большим временем отклика. Влияние активного пикселя на соседей приводит к некоторой размытости изображения. Пассивные матрицы используются в часах, приборах, калькуляторах.

Принцип работы активной матрицы

Применение переключателей TFT, хранящих состояние поля пикселя, позволяет использовать жидкие кристаллы с малым временем отклика. Кроме того, транзисторы препятствуют помехам на соседние пиксели.

Для передачи цветного изображения на ЖК-панель наносят цветофильтр (RGB). Размер и форма цветовой ячейки определяется размером и формой электрооптической ячейки. Кроме транзисторов на каждую ячейку приходятся конденсатор и сопротивление. Видеосигнал заряжает конденсатор, который через сопротивление постепенно разряжается до очередного повтора видеосигнала, что обеспечивает устойчивое изображение.

На поверхность дисплея наносятся 2 пленки: одна рассеивает свет, вторая компенсирует эффект запаздывания света в случае, если он проходит через жидкий кристалл с наклоном (световой поток должен попадать в ЖК-ячейки строго под 90о равномерно по всей поверхности, иначе наблюдается эффект просачивания света).

TFT (Thin Film Transistor) — тонкопленочный транзистор толщиной 0,1-0,01 мкм.

1.8.4 Плазменные мониторы

Рис. 11 Схема плазменной панели

На стеклянные пластины нанесены отдельно вертикальные и горизонтальные проводники. Пространство между панелями заполнено инертным газом. Когда к проводникам прикладывается определенное напряжение, газ начинает светиться. Между пластинами с проводниками размещена вспомогательная пластина с круглыми отверстиями для локализации свечения. Пикселем является воображаемая точка на пересечении проводников, номера которых задают координаты этой точки. Координаты используются для генерации изображения.

49