Вопросы синхронизации цифровых схем

Отдельные разряды двоичного числа в ЭВМ работают параллельно и достаточно независимо в том смысле, что значения уровня сигнала при его переключениях устанавливаются не строго одновременно из-за некоторых различий в их физических параметрах (длина линий, разброс размеров элементов и т.д. ). Возникает вопрос: когда определять значение числа по всем его разрядам ? – Тогда, когда установятся значения уровней по всем разрядам. Эти моменты времени в ЭВМ задаются тактовым генератором. Он создает последовательность импульсов, задающих указанные моменты сменой уровня напряжения, как показано на рис. 8. Обычно используются моменты подъема уровня (скачки вверх), иногда и те, и другие, как в ЗУПВ DDR (далее).

t

Рис. 8. Импульсы тактового генератора.

Тактовый генератор цифровой схемы исполняет функцию часов в организации ее работы. Здесь можно усмотреть аналогию с организацией занятий в учебном заведении, где такую функцию выполняет звонок. Но как тактовый генератор может определить, когда установятся уровни всех разрядов? А он явно и не определяет, разработчики ЭВМ должны подобрать задержки всех элементов и тактовую частоту так, чтобы все успевало. Тогда при заниженной тактовой частоте все заведомо успевает, но работает слишком медленно. Например, при наладке цифровых схем иногда тактовый генератор заменяют кнопкой, и каждый следующий такт наладчик задает нажимом кнопки вручную, после измерения сигналов предыдущего такта. Но хочется, чтобы все работало быстрее, и тогда тактовую частоту увеличивают до момента, когда начинаются ошибки схемы. Естественно, что для надежной работы ЭВМ нужно поддерживать частоту тактового генератора несколько ниже критической, хотя иногда процессор разгоняют, то есть повышают тактовую частоту выше, чем это указано производителем.

В связи с синхронизацией ЭВМ важно представлять себе работу еще одного очень важного элемента , D-триггера, изображенного на рис. 9.

D Q D t

C

C

Q

Рис.9. D-триггер

Условное изображение D-триггера приведено слева на рис. 11, диаграмма сигналов – справа. Данные, записываемые в триггер подаются на вход D. Но записываются они в триггер только в момент скачка сигнала С вверх (нарастания). Обычно на вход С подаются синхро – импульсы, получаемые от тактовых импульсов, но это не значит, что все импульсы с выхода тактового генератора поступают на С (об этом речь пойдет позже). Главное, что информация с D записывается только в определенные моменты, задаваемые по С. На рис. 11 первый синхро – импульс в момент его нарастания (переднего фронта) записывает низко, хотя низко было и до того. Передний фронт второго синхро – импульса приходит, когда D высокое, и записывает это в триггер, что проявляется высоким Q на выходе. Следующий синхро – импульс записывает низко. Можно сказать, что D-триггер хранит информацию со входа D в течение времени между двумя соседними синхро-импульсами. Стандартное обозначение С происходит от слова clock (часы). Этот сигнал называют также “строб” (Strobe).

Элементарную часть цифровой схемы можно представить состоящей из D-триггера, выход которого поступает на вход логической схемы ЛС. Выход последней вновь поступает на вход D, но уже другого D-триггера, как показано ниже на рис. 10. Предыдущий синхро-импульс С1 записывает данные в первый D-триггер Тр1, где они хранятся в течение времени, необходимого логической схеме ЛС провести преобразование информации до следующего синхро-импульса С2, который записывает результат в Тр2. При этом данные на вход логической схемы могут поступать и от других триггеров.

Тр1 ЛС Тр2

Q1 Q2

C1 C2

Данные от

других

триггеров

Рис. 10. Элементарная часть цифровой схемы, работающая между соседними синхро-импульсами С1, С2.

Один триггер хранит один разряд числа или один бит данных. Если же нужно хранить многоразрядное число, то применяется ряд D-триггеров, который называется регистром, обычно все входы С собираются в один вход. Таким образом в n-разрядном регистре хранится n бит, имеется n входов D, n выходов Q и один синхро-вход, могут иметься еще и другие входы.

Обычно работа цифровых схем организуется в виде повторяющихся циклов, например, цикл выполнения команды, цикл обращения к памяти и т.д. Цикл выполняется за определенное число тактов, которые в пределах цикла имеют определенные порядковые номера: Т0, Т1, Т2…и часто по времени задаются прямо с выхода тактового генератора, но идут по отдельным линиям.

Если рассмотреть рис. 13, то С1 может браться, например от линии Т0, а С2 от линии Т3 (как вариант) или от любой другой, но более поздней в пределах цикла. Организацию работы во времени всей схемы можно представить в виде графика, где строки – отдельные линии с сигналами, а столбцы – номера тактов цикла. Аналогичные графики строятся при составлении расписания занятий, расписания движения поездов (здесь номера тактов – часы суток) и т.д. Людям, знакомым с работой четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, например автолюбителям, легко провести аналогию между работой цифровой схемы и двигателя, хотя последний значительно проще в плане числа тактов.

Память ЭВМ

Далее идет изложение работы практических устройств, а не чистых принципов, поэтому нужно оценивать устройства по определенным критериям. Они достаточно просты и понятны. Каждая машина, в том числе ЭВМ, выполняет определенную работу в единицу времени и характеризуется производительностью, она близка к быстродействию. Часто этот критерий является основным в конкуренции производителей ЭВМ. Однако реально нужно еще учитывать стоимость, тогда основным критерием становится производительность / стоимость ( лучше, когда числитель больше, а знаменатель меньше). Это можно представить как производительность на рубль (доллар).

Память ЭВМ выполняет одну из фундаментальных функций – хранение информации, то есть время изменяется, а информация остается неизменной. Запоминающих устройств великое множество даже в пределах одной ЭВМ, где они составляют целую иерархию, подчиненную центральному процессору. Конечно хотелось бы упростить структуру запоминающих устройст (ЗУ), но этого пока не удается сделать из-за противоречия их свойств, главным образом основных: объема и быстродействия. Чем выше быстродействие (лучше), тем меньше объем (хуже), поэтому приходится искать компромисс, обеспечивающий наилучшее соотношение производительность / стоимость. По быстродействию центральный процессор (ЦП - CPU) значительно превосходит ЗУ, хотя внутри самого ЦП уже существуют триггеры и регистры, которые также хранят информацию (рис.10), их быстродействие одинаково с ЦП. Есть программно доступные на языке ассемблера регистры ЦП - регистры общего назначения (РОН). Далее, следуя от регистров ЦП в порядке уменьшения быстродействия, но увеличения объема идут кэш (cache) уровня 1 (level 1), кэш уровня 2,… Далее оперативное запоминающее устройство – основное ЗУ по объему информации, работающее прямо с ЦП, благодаря выборке информации в произвольном порядке адресов равно и записи туда информации, называемое поэтому ЗУ с произвольной выборкой (ЗУПВ - RAM). ЦП и ОЗУ составляют минимально необходимую часть ЭВМ, называемую ядром, которая уже может функционировать. Далее к ядру добавляются различные устройства, называемые внешними или периферийными (не только накопители) в зависимости от решаемых на ЭВМ задач. Предполагается, что в выключенном состоянии ядро имеет в ОЗУ программу работы, хотя бы начальную. Здесь уместно вспомнить о концепции хранимой в ОЗУ программы наряду с данными, впервые опубликованной в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом. Концепция означает, что в ОЗУ записывается программа, по которой работает ЭВМ, и поскольку эти программы легко менять и иметь несколько программ в ОЗУ, то ЭВМ становится универсальной по выполняемым задачам.

ОЗУ можно представить в виде простой таблицы, показанной на рис. 11.

Адрес	Содержимое
0	Данные или команда
1	…
…	…
…	…
N	…

Рис. 11. Табличное представление ОЗУ

Каждую строку таблицы называют ячейкой, куда процессор записывает по задаваемому программой адресу, а затем может много раз считывать информацию. При этом взамен старой информации он может записывать новую, модифицируя таким образом содержимое ячейки, предполагается, что имя переменной величины однозначно соответствует адресу ОЗУ. Объем ОЗУ представляет один из важных параметров ЭВМ. Объем кэш значительно меньше, но он быстрее. Кэш можно рассматривать как буфер между ЦП и ОЗУ, введенный для повышения быстродействия ЭВМ. Он считается «прозрачным» с точки зрения прикладного программиста, то есть управление им недоступно. Его эффективность зависит от решаемой задачи и основывается на таких статистических данных, что 10-20% данных и команд необходимы в 80-90% случаев, они и хранятся в кэш. Предполагается, что в течение какого-то времени ЦП работает с небольшой частью ОЗУ, которую помещают на это время в кэш. Понятно, что кэш имеет произвольную выборку.

Рассмотрим устройство ОЗУ, оно упрощенно представлено на рис.12 и состоит из матриц запоминающих элементов, дешифратора строк (raw decoder) DC-R и дешифратора столбцов (column decoder) DC-C. На пересечениях электрических линий строк и столбцов в матрице расположены запоминающие элементы, каждый из которых хранит один бит информации. Для того, чтобы выбрать нужный элемент, требуется подать сигнал на ту линию строки и столбца, на пересечении которых находится элемент. Это делается посредством дешифраторов. Следует отметить, что дешифраторы широко применяются в ЭВМ, например, в схеме синхронизации, где они выделяют линии отдельных тактов. Дешифратор работает следующим образом: на его вход подается номер выбираемой выходной линии. Здесь следует представлять, что число входных линий дешифратора гораздо меньше, чем выходных. Например, если число входов равно 4, то число выходов равно 16 по той же формуле 2ⁿ.

Адрес столбца

А2

DC-R DD DC-C

Матрица запоминающих элементов

Адрес строки

А1

Рис. 12. Схема запоминающего устройства с произвольной выборкой.

Предположим, что ЗУ имеет объем 256 МБ, то есть 2²⁸. Это определяет разрядность адреса 28. Если матрица квадратная (число строк равно числу столбцов), то А1 и А2 имеют по 14 разрядов, а число выходов каждого из дешифраторов составит 2¹⁴. Число элементов матрицы будет равно 2¹⁴ х 2¹⁴ =2²⁸. В схеме синхронизации процессора используются значительно более простые дешифраторы с числом выходов не более нескольких десятков (по числу тактов в цикле) и поэтому они работают быстрее, кроме того сама матрица требует значительного времени, что может объяснить существенно большее быстродействие процессора относительно ЗУ. Следует также указать, что одна матрица обеспечивает только один разряд, то есть имеет объем 256 Мбит, а в байте 8 бит. Таким образом, потребуется 8 параллельных матриц запоминающих элементов на одних и тех же дешифраторах.

В ОЗУ используется два типа запоминающих элементов:

1. конденсатор

2. триггер.

Конденсатор может быть в двух состояниях: заряженном и незаряженном, в первом случае на нем электрическое напряжение значительно больше, чем во втором случае благодаря наличию заряда. Заряд сохраняется на конденсаторе некоторое время. Записать информацию в один бит означает зарядить конденсатор. Однако заряд из-за проводимости изоляции (утечки) постепенно исчезает, а информация самопроизвольно стирается, поэтому ранее заряженные конденсаторы приходится подзаряжать через определенное время. Этот процесс называется регенерацией памяти и выполняется обычно через несколько миллисекунд постоянно. Для регенерации ячейки достаточно к ней обратиться или выбрать ее строку, то есть регенерация выполняется сразу по строкам. Из-за регенерации память на конденсаторах получила название динамической. В отличие от нее, память на триггерах называется статической. Для триггеров не требуется регенерации, к тому же они работают значительно быстрее, чем конденсаторы. Однако конденсаторы значительно проще и занимают на кристалле меньше места, поэтому динамическая память оказывается дешевле статической. Быстродействие памяти оценивается временем выборки информации – временем от подачи адреса памяти до получения данных на выходе, время выборки статической памяти составляет около10 нс, динамической памяти – около 20 нс. Указанные значения постоянно стараются уменьшить, хотя здесь существуют технические трудности. Учет особенностей работы ОЗУ совместно с ЦП все же позволил ускорить работу ОЗУ в системе с помощью различных приемов:

1. Работу ОЗУ синхронизируют с ЦП общими синхро-сигналами, это уменьшает время ожидания данных центральным процессором, Такая память называется синхронной (Synchronous DRAM - SDRAM).

2. Применяют пакетный режим обращения к памяти (burst), работают сразу с несколькими соседними ячейками. Например, читают сразу подряд 4 ячейки, задавая один раз адрес строки, а затем 4 раза подряд адрес столбца матрицы, каждый раз увеличивая его на 1 (ячейки располагаются вдоль строки). Время в тактах процессора в данном случае может выражаться как 5-3-3-3, при этом на первую ячейку тратится 5 тактов, так как нужно выбрать и строку, и столбец. В настоящее время для памяти задаются другие задержки (называемые «таймингами»), их может быть больше четырех.

3. В динамическую память вводится буфер из статической памяти размером на одну строку, и при обращении к ячейке сразу читается вся строка в буфер, а затем по мере надобности информация быстро читается из статического буфера, как кэш, это быстрая страничная выборка (fast paging mode).

4. На выходе памяти обычно имеется регистр выходных данных, его строят на триггерах-защелках (latch), ускоряющих доступ к информации. Это позволяет иметь время 5-2-2-2.

5. Повышают разрядность памяти, например, процессору Pentium требуется 32 разряда, а память применяют 64-разрядную.

6. Применяют параллельную работу элементов – конвейер (pipeline), см. далее.

7. Чередуют обращения к двум блокам памяти, так как подряд к одному блоку можно обращаться не ранее, чем пройдет время восстановления (recovery).

В современном SDRAM применяются вышеуказанные приемы, используют также синхронизацию как по переднему, так и по заднему фронтам синхро-импульсов, что позволило удвоить скорость передачи данных (Double Data Rate – DDR SDRAM).

Устанавливаемая на системную плату оперативная память конструктивно оформляется в виде модуля. Он представляет собой небольшую печатную плату с разъемом, на этой плате устанавливается несколько микросхем памяти и дополнительные микросхемы. На системной плате предусматриваются разъемы для установки нескольких модулей памяти, что дает возможность расширять объем памяти ЭВМ по мере необходимости. Если на разъеме модуля памяти контакты находятся только с одной стороны платы, то он называется SIMM (Single-In-Line Memory Module), если с двух сторон – DIMM (Double-In-Line Memory Module).

Рассмотренные выше полупроводниковые ЗУ не сохраняют записанную в них информацию при отключенном питании (энергозависимые), проблема сохранения информации решается в основном за счет применения дисковых накопителей. Однако в настоящее время имеются различные энергонезависимые полупроводниковые ЗУ, хотя и меньшей емкости, к ним относятся ПЗУ – Постоянные ЗУ (ROM - Read Only Memory). Одна из наиболее перспективных ПЗУ – флэш-память (Flash), по времени считывания она немного уступает SDRAM, но временя записи у нее гораздо больше, особенно если учесть что перед повторной записью нужно долго стирать предыдущую информацию. Кроме того флэш-память имеет ограниченное число перезаписей (порядка 10⁶). Стоимость её невысока, однако значительно выше, чем у магнитного и тем более оптического диска.

Имеется еще небольшая статическая память с отдельной батарейкой питания, поэтому она энергонезависима. Эта память потребляет очень малую энергию благодаря комплементарной схеме (CMOS), как и наручные часы.

CMOS и ПЗУ, в том числе флэш-память используются для хранения данных конфигурации ЭВМ, а также BIOS.

Далее в иерархии памяти вслед за ОЗУ следует указать дисковые накопители и в первую очередь жесткие магнитные диски (Hard Disk Drive - HDD), называемые иногда винчестерами. В них накапливается и сохраняется при выключенном питании информация ЭВМ. Энергонезависимость – фундаментальное свойство магнитных ЗУ. При записи информации частицы магнитного материала намагничиваются и сохраняют во времени эту намагниченность. При считывании информации определяется их намагниченность по их магнитному полю, однако намагниченность (информация) не разрушается, то есть информация читается многократно. Современный жесткий магнитный диск (рис. 17) вращается со скоростью 7200 об/мин или выше, эта достаточно высокая скорость вращения обнаруживается по свисту при выключении ЭВМ. На поверхности диска нанесен тонкий слой магнитного материала. В радиальном направлении, но необязательно точно по радиусу перемещается магнитная головка для установки на определенном расстоянии от центра, при этом магнитные частицы под головкой образуют окружность, называемую дорожкой (track). Отдельные дорожки представляют собой концентрические окружности на поверхности диска, как показано ниже на рис. 13. Магнитная головка располагается на очень малом расстоянии от поверхности диска и намагничивает частицы магнитного материала, нанесенные на поверхность диска при записи, либо определяет намагниченность частиц при чтении информации. Самый малый адресуемый элемент информации на диске соответствует сектору дорожки, вдоль сектора подряд располагаются биты информации.

Перемещение головки

Вращение диска

Сектор дорожки

Рис. 13. Схема расположения информации на магнитном диске.

Время поиска информации на диске – это время установки магнитной головки на нужный сектор вращающегося диска. Оно зависит от скорости движения головки по радиусу и скорости вращения диска. Естественно, обе эти скорости нужно увеличивать для снижения времени поиска. Помимо этого, увеличение скорости вращения непосредственно увеличивает и такой показатель быстродействия диска, как скорость передачи информации бит/сек (data rate).

На диске информация организована в виде файлов, размер которых не регламентирован, в отличие от ОЗУ с адресами ячеек одинакового размера. В тоже время размер сектора диска фиксирован и обычно составляет 512 байт. Например, при чтении информации дисковая подсистема получает имя файла, после чего нужно последовательно находить в определенном порядке нужные секторы, которые могут располагаться не подряд. Данная задача решается с помощью специальной таблицы FAT (File Association Table), записанной в определенном месте диска, вместе с другой служебной информацией.

Аналогично всем элементам ЭВМ, в том числе ОЗУ, проводится постоянная большая работа по увеличению объема, быстродействия, надежности и других показателей жестких дисков. Это привело к интеграции в единый блок всех его элементов как электромеханических, так и электронных, то есть дисковода и его контроллера. Последний можно представить как маленькую ЭВМ, учитывающую многочисленную информацию диска при его изготовлении и недоступную прикладному программисту. Такая система называется IDE (Integrated Disk Electronics). Кроме прочего, расположение в непосредственной близости контроллера и дисковода облегчило высокоскоростную связь между ними. Внутри контроллера имеется кэш-память диска.

Жесткие диски подключались к системной плате плоским кабелем (шлейфом) по интерфейсу АТА (AT Attachment – средства подключения к компьютеру АТ). В настоящее время используется последовательный интерфейс SATA c кабелем круглого сечения. Реже используется интерфейс SCSI (Small Computer System Interface).

Большое значение имеет надежность работы жесткого диска – главного хранилища информации ЭВМ. Его отказ приводит к потере информации, накопленной в ЭВМ, что может быть гораздо болезненнее, чем расходы на приобретение нового диска. Распространенное явление при порче диска – повреждение магнитного слоя на его поверхности. Это может произойти при касании головкой поверхности диска. Нужно бережно его эксплуатировать, например, исключать тряску при работе, уменьшать число включений-выключений, не включать при низкой температуре.

Еще сравнительно недавно широко использовались накопители на гибких магнитных дисках (FDD – Floppy Disk Drive). Несмотря на их несравнимо меньший объем и скорость работы, они имели неоспоримое преимущество – сменность. Это означает, что при одном и том же дисководе и контроллере можно применять неограниченное число самих магнитных дисков – дискет. А сами они имеют очень небольшие размеры и их легко переносить от одной ЭВМ к другой, перенося таким образом информацию между ними. Концепция интеграции в гибких дисках не применяется – там контроллер диска расположен отдельно от дисковода и связан с ним кабелем. Свойство сменности носителя информации (диска) облегчает также решение вопроса информационной безопасности:

1. Можно архивировать информацию на случай отказа жесткого диска,

2. Есть возможность физически исключить доступ к информации посторонним или ее порчу от пожара, спрятав диск в сейф.

Следует отметить, что имеются сменные жесткие диски, но там меняется полностью все, в том числе и контроллер.

В качестве сменных носителей информации в настоящее время широко применяются оптические диски (компакт диски CD – Compact Disk и DVD – Digital Video Disk), а также флэш-память. Сначала об оптических дисках, они имеют самую низкую стоимость хранения одного байта информации (или бита) из всех ЗУ. В оптических дисках информация представлена в виде наличия или отсутствия отраженного света от элементарной площади поверхности диска. Благодаря использованию лазера, размеры этой элементарной площади очень малы, то есть плотность записи информации очень велика. Стандартные размеры оптического диска: диаметр 120 мм, толщина 2 мм.

Наименьшую стоимость имеют оптические диски типа ROM (только для чтения на ЭВМ). Информация записывается в них один раз, перезаписывать нельзя, число чтений информации с него неограничено. Во время чтения очень тонкий луч лазера падает на поверхность вращающегося диска, как показано на рис. 14.

лазер

свет фотоприемник

элементарная

площадь

вращение диска

Рис. 14. Схема работы оптического диска

Элементарная площадь либо отражает луч на фотоприемник, либо не отражает, таким образом в нее записан один бит информации. Последовательные биты записываются в виде непрерывной дорожки, которая имеет вид спирали, наподобие спирали грамм-пластинки, идущей от периферии к центру диска, правда, в оптическом диске направление от центра к периферии. Можно вспомнить, что компакт-диски пришли в ЭВМ из звукозаписи. Для получения постоянной скорости считывания (бит/сек) нужно по мере увеличения радиуса дорожки уменьшать угловую частоту вращения диска. Имеется в виду, что плотность записи постоянна и соответственно линейная скорость светового пятна лазера тоже постоянна (CLV – Constant Linear Velosity). В рассмотренных ранее магнитных дисках постоянна угловая частота вращения (CAV - Constant Angular Velosity), а линейная скорость больше к периферии диска. Использование спиральной дорожки увеличивает время поиска информации на оптическом диске.

Оптические диски широко применяются как дистрибутивные носители программ. Их значительный объем (CD - около 700 МБ, DVD – 4,7 МБ и более), позволяет хранить на одном диске очень большие программы, например операционные системы и библиотеки. Раньше приходилось использовать много дискет, что было неудобно. К тому же очень привлекательна низкая стоимость оптического диска и большой срок хранения информации. Она не подвержена постепенному разрушению, как на магнитных носителях, точнее разрушается гораздо медленнее.

Возможность перезаписи информации пользователем на одном и том же оптическом диске CD-RW(Read Write) или DVD-RW еще более расширила область их применения. Используется многослойный диск , в котором на отражающую поверхность нанесен слой с изменяемой фазой состояния – кристаллической или аморфной. Фаза состояния изменяет коэффициент отражения при чтении, а при записи изменяется под воздействием луча лазера. В этом случае нужен специальный привод для чтения-записи и специальные чистые заготовки (болванки) дисков, также имеющие небольшую стоимость.

Дисководы оптических дисков характеризуются скоростью чтения, записи и перезаписи. За единицу принимается скорость 150 КБ/с (скорость чтения первых CD). После величины скорости ставится значок “x”.

Быстро распространяющаяся в настоящее время флэш-память как сменный носитель информации по функциям во многом аналогична оптическим дискам с той разницей, что она:

1. имеет значительно большую стоимость одного бита информации,

2. меньший объем,

3. более компактна,

4. не требует специального устройства (как дисковод).

Эти качества сделали ее удобной для переноса оперативной информации (тексты, задания , отчеты и т.д.), поэтому она в массовом применении вытеснила дискеты, при этом флэш-память имеет значительно большую надежность.

В ЗУ важную роль играет вопрос достоверности хранимой информации, так как отдельные биты информации могут со временем изменять свое значение, то есть возникают ошибки. Причиной тому может быть, например, попадание микроскопической пылинки под головку дисковода, попадание альфа-частицы на запоминающий элемент ОЗУ и т.д. В данном случае предполагается временная ошибка в бите, а не постоянный дефект, который квалифицируется как устойчивый отказ. В последнем случае заменяют дефектный элемент, или целый сектор, или все устройство.

Рассмотрим простой способ обнаружения ошибок – контроль четности (parity check), представленный ниже на рис. 15. Предположим, что в ЗУ записан

байт основной информации, его биты пронумерованы сверху справа налево от 0 до 7. Для конкретности взяты произвольные значения всех восьми бит. В любом одном бите может произойти ошибка (одиночная), на рис. 15 во 2-м бите вместо 1 оказался 0. Чтобы обнаружить факт одиночной ошибки к основной информации добавляется и записывается один контрольный бит, обозначенный КБ. Его значение выбирается таким, чтобы число единиц во всей группе бит (уже 9 бит) было нечетным. Тогда посчитав число единиц в каждом конкретном случае чтения группы бит, можно определить наличие ошибки. На рис. 15 число единиц в группе стало четным. Можно конечно заранее условиться наоборот, что число единиц в группе должно быть четным и исходя из этого определять значение контрольного бита. В случае ошибки чтение повторяется до тех пор, пока ошибка не исчезнет. Если она не исчезает, то имеет место устойчивый отказ.

7 6 5 4 3 2 1 0 КБ

1 0 0 1 0 1 1 0 1 нет ошибки

основная информация

7 6 5 4 3 2 1 0 КБ

1 0 0 1 0 0 1 0 1 ошибка во 2-м бите

Рис. 15. Контроль четности в байте

Есть более быстрый способ избавиться от ошибки – применить корректирующий код. В этом случае нужно определить, в каком бите произошла ошибка. Для этого выделяются отдельные группы бит основной информации и для каждой из них записывается свой контрольный бит. Ошибочный бит определяется по комбинации ошибочных и безошибочных групп. При коррекции ошибок приходится вводить больше служебной информации, однако это вполне приемлемо. Например, достаточно широко используется ОЗУ с коррекцией одиночных ошибок (ECC – Error Check and Correction).

В накопителях применяется несколько иное правило определения контрольной информации – CRC (Cyclic Redunducy Check). По-прежнему берется блок информации определенного размера, но больше одного байта. В конце его записывается значение специального полинома, рассчитанного по значениям основной информации блока. В простейшем случае можно представить, что в конце блока записывается контрольная сумма.

Рассмотренные запоминающие устройства ЭВМ можно расположить в некоторой последовательности по мере приближения к центральному процессору, в основном это однозначно связано с увеличением быстродействия, но и уменьшением объема. Как говорилось выше, существует иерархия ЗУ в ЭВМ, ее схема представлена на рис. 16, ниже, конкретные приведенные значения ориентировочные.

Время доступа ОЗУ приведено для статической памяти, которая добавляется к динамической в качестве буфера (кэша). Сменные накопители, указанные в последних 3 строчках отклоняются от общей тенденции роста объема и снижения быстродействия из-за влияния функции сменности.

В последней строке указаны накопители на магнитной ленте – стриммеры. Они были сравнительно мало распространены на наших ЭВМ, хотя магнитная лента в них очень широко когда-то использовалась. Для ЭВМ применяются специальные кассеты с магнитной лентой – картриджи большого объема информации с более широкой, чем в обычных кассетах, магнитной лентой. Стриммеры используются для архивирования информации, например на случай отказа жесткого диска. В настоящее время их функция выполняется чаще посредством CD-RW.

Центральный

процессор

Наименование	Объем	Время доступа
Регистры ЦП	Десятки байт	Доли наносекунд
Кэш уровня 1	Мегабайты	наносекунды
Кэш уровня 2 и более	Мегабайты	наносекунды
ОЗУ	Сотни мегабайт и более	Около 10 нс
Флэш-память	Сотни гигабайт	Десятки наносекунд
Жесткий диск	Сотни гигабайт	миллисекунды
Оптический диск	700 мегабайт СD, до 17 гигабайт DVD	Десятые доли секунды
Стриммер (магнитная лента)	десятки гигабайт	секунды

Накопители

Рис. 16. Иерархия памяти в ЭВМ.

Центральный процессор

Он выполняет в ЭВМ вместе с другими процессорами фундаментальную функцию, указанную в таблице 1, - обработку (или преобразование) данных (информации), записанных в памяти, с целью получения новых данных (информации). Это преобразование выполняется по определенным правилам, которые задаются программой. Программа также записана в память. Центральный процессор (ЦП) при выполнении программы обменивается информацией с оперативным запоминающим устройством (ОЗУ), для ускорения через кэш. ЦП является самой сложной и дорогой микросхемой в ЭВМ. Согласно схеме фон Неймана, рассматриваемой ранее, центральный процессор состоит из арифметико-логического устройства (АЛУ) и блока управления (БУ). АЛУ непосредственно выполняет команды программы (арифметические и логические операции), записанные в ОЗУ, одну за другой, а БУ извлекает из ОЗУ очередную команду для выполнения. Наиболее частый случай, когда очередная команда следует в программе за предыдущей, то есть команды идут в порядке счета адресов. Тогда адрес выполняемой команды определяется по программному счетчику (Program Counter). Однако существуют условные переходы, когда адрес очередной выполняемой команды зависит от результата, полученного в текущей команде.

В более общем случае правила обработки информации описываются алгоритмом. Алгоритм – это заранее заданная последовательность четко определенных правил или команд для получения решения задачи за конечное число шагов. Алгоритм может осуществляться или реализовываться как человеком, так и автоматически, например электронным устройством, в том числе ЭВМ. Существуют различные способы реализации алгоритмов электронными устройствами, их можно разделить на аппаратные и программные. Программные способы реализуются в ЭВМ и являются в настоящее время наиболее предпочтительными в силу их малой стоимости, хотя аппаратные обычно дают большее быстродействие. Можно сказать, что работой программистов является программная реализация алгоритмов, а аппаратная реализация – удел специалистов по цифровой схемотехнике. Для программной реализации алгоритма необходим некоторый аппаратный минимум, выполняющий схему фон Неймана, см. ниже рис.17. Наиболее близкий к аппаратуре ЭВМ уровень программирования, доступный обычным программистам – уровень команд ЦП, описанный на языке ассемблера. Однако на самом деле есть еще более близкий к аппаратуре уровень команд – микрокоманды АЛУ. Этот уровень программирования доступен разработчикам процессоров, а команды ассемблера представляют собой микропрограммы, записанные в блок управления процессора при его изготовлении.

Программная реализация Языки высокого уровня

Доступна программистам

Команды ЦП Ассемблер

Микрокоманды Микропрограммный уровень

Аппаратная реализация

Рис. 17. Схема уровней реализации алгоритмов в ЭВМ.

При выполнении программы процессор читает из ОЗУ очередную команду (инструкцию), записанную в единичках и ноликах – программный код, рис. 18.

Операция Операнд 1 Операнд 2

Рис. 18. Схематическое представление команды (инструкции) ЭВМ.

Записывать программу в единичках и ноликах человеку крайне неудобно, хотя разработчикам микропроцессорных устройств (небольших специализированных ЭВМ) иногда приходится это делать. Гораздо удобнее пользоваться буквенными именами, что и сделано в ассемблере. Например, операции имеют понятные обозначения: ADD, SUB, MUL, AND, OR,…, операнды имеют имена величин: Т1, ANGL,… Имея ассемблер, можно запрограммировать на нем транслятор для языка более высокого уровня, например СИ, а на нем сделать следующий шаг вверх по ступенькам языков. Конечно, можно все программировать на ассемблере, и это будут очень экономные программы по требуемым ресурсам ЭВМ (объему памяти, времени выполнения). Однако на одну команду языка более высокого уровня требуется обычно несколько команд языка более низкого уровня, поэтому для экономии труда программистов повышают уровень языка программирования. В этом отношении предусматривается некоторый компромисс – в языках СИ, Паскаль и других можно делать вставки на ассемблере. Чтобы прикладным программистам не приходилось знать тонкости аппаратуры, например, команды принтера, сканера и т.д.один раз составляется аппаратно-программными специалистами программа управления каждым устройством – драйвер устройства.

Для лучшего понимания ЦП рассмотрим кратко уровень команд процессора фирмы Intel, во многом он сохраняется во всех моделях процессоров от самых первых. По типу операций наиболее часто используются пересылки данных MOV, PUSH, POP, …; арифметические ADD, SUB, INC, DEC,…; логические AND, OR, NOT, XOR,…; работа со строками; передача управления: вызовы подпрограмм, условные переходы, циклы, программные прерывания; управление процессором, например, WAIT, HLT (halt)… Для задания операндов применяют различные режимы адресации, при этом значение операнда может быть записано как часть команды, либо в регистр общего назначения (РОН), либо отдельно в ОЗУ (правда, как часть команды оно также находится в ОЗУ). Адрес операнда также получается как сумма из нескольких источников: команды, РОН. При работе на ассемблере используют РОН, так как они имеют наибольшее быстродействие и экономят память. Ниже на рис. 19 представлена регистровая структура процессора.

Все РОН участвуют в выполнении арифметических и логических операций, представляя операнды и фиксируя результат. Наряду с этим имеется множество команд, которые специализируют некоторые РОН, как это показано на рис. 19. Регистры AX, BX, CX, DX допускают независимую адресацию к старшим байтам AH, BH, CH, DH и младшим байтам AL, BL, CL, DL. Регистр признаков хранит данные о различных ситуациях, возникающих в программе. Например, если результат операции равен нулю, то устанавливается флаг Z (zero), то есть отведенный для этого 6-й бит устанавливается в 1. Это используется процессором для условных переходов.

Для обмена информацией между ЦП и другими устройствами предусмотрены порты ввода-вывода. Их можно представить как некую память, через ячейки которой проходит указанный обмен. Каждое из устройств имеет свои ячейки с определенными адресами. Всего предусмотрено 64К таких адресов. Проиллюстрируем запись команд ассемблера на примере ввода-вывода.

OUT dx, al ; вывод младшего байта регистра АХ – al в порт с адресом в DX

IN al, dx ; ввод байта из порта с адресом в DX в младший байт AX –al

Запись команды соответствует рис. 22, комментарий пишется после точки с запятой до конца строки. Следует отметить, что информация переходит от правого операнда к левому, по рис. 22 от операнда 2 к операнду 1 справа налево.

При вводе-выводе информации между ядром ЭВМ (ЦП + ОЗУ) и другими устройствами ЭВМ важен вопрос, как заставить ЦП выполнять этот обмен, если он занят работой над программой, читаемой из ОЗУ. Например, нужно вводить информацию от клавиатуры. Частота нажатия человеком клавиш очень мала, даже если он очень опытный пользователь – не более 180 в секунду, за это время ЦП выполнит миллионы операций. На каждое нажатие клавиши

Регистры общего назначения (РОН)

High (H) Low (L)

номер бита15 8 7 0

AX Аккумулятор (accumulator)

BX База (memory pointer)

СХ Счетчик (counter)

DX Данные (I/O address)

SP Указатель стека (stack pointer)

BP Указатель базы (stack segment register)

SI Индекс-регистр операнда

(string pointer seqential)

DI Индекс-регистр результата

(memory pointer for data)

IP Регистр адреса команды (instruction pointer)

Регистр признаков (флагов)

Рис.19. Регистры общего назначения процессора фирмы Intel.

процессору нужно выполнить обычно небольшую программу. Даже если она состоит из 100 команд, то это все равно будет 18000 команд в секунду, то есть ЦП будет работать очень неэффективно, если он будет только заниматься клавиатурой. Иногда на это можно пойти, если ЭВМ очень простая и дешевая, а ее почти простои ничего не стоят. Тогда можно поступить следующим образом: в байте порта клавиатуры, задающем ее состояние, меняется значение определенного бита, отображающего момент нажатия любой клавиши клавиатуры. А в другом порту клавиатуры в этот момент задается код символа нажатой клавиши, например сразу код ASCII (American Standard Code for Information Interchange), или какая-нибудь другая величина, которую можно пересчитать потом в ASCII. Запускается программа ввода данных с клавиатуры, которая в цикле все время опрашивает байт состояния клавиатуры, а точнее бит нажатия клавиши. Как только этот бит изменит состояние, например, перейдет в 1 с 0, программа выходит из цикла ожидания и записывает код клавиши в ОЗУ из другого порта. После этого программа снова переходит в цикл ожидания очередного нажатия клавиши. Такой способ обмена иногда называют программным.

Для ввода-вывода разработан и широко применяется другой, значительно более эффективный способ – по прерываниям процессора (interrupts). В этом случае, продолжая пример с клавиатурой, ЦП выполняет свою программу, но в момент нажатия любой клавиши специальная стандартная схема переводит его на адрес начала программы ввода кода клавиши в ОЗУ. После выполнения этой программы он автоматически возвращается на тот адрес старой программы, откуда его прервали и продолжает ее выполнение. По этой схеме построен обмен данными между ЦП и большинством других устройств ЭВМ: таймером, принтером, сканером и т.д. Каждое из этих устройств имеет свою программу обслуживания именно его прерывания, эти программы могут находится в разных местах ОЗУ, при этом их начальный адрес может быть не постоянным, а изменяться в зависимости от того, куда подгрузит ее операционная система. Чтобы однозначно связать начальный адрес программы обслуживания прерывания с ее устройством, введена дополнительно в определенное место ОЗУ таблица начальных адресов этих программ. Каждое устройство имеет свой номер строки этой таблицы, то есть номер прерывания, а в строке операционная система записывает каждый раз при загрузке начальный адрес программы обслуживания прерывания. Такая строка таблицы называется вектором прерывания, в нее также записывается начальное значение всех флагов регистра флагов (рис. 19). Ниже на рис. 20 иллюстрируется схема работы прерываний. В левой верхней части рис. 20 изображены в виде квадратиков различные устройства. Посередине сверху вниз изображено ОЗУ в виде таблицы, левый столбец содержит по порядку адреса, правый столбец – содержимое ячеек. Начиная с нулевого адреса расположена область векторов прерываний. Каждый

вектор содержит 2 ячейки, в первую ячейку операционная система записывает начальный адрес программы обслуживания прерывания соответствующего устройства, а во вторую – значение регистра флагов, которое имеет также название “слово состояния процессора”. С этими значениями флагов начинает работать программа обслуживания прерывания. Предположим, что ЦП выполняет текущую программу, изображенную в средней части ОЗУ, а в ней

некоторую текущую команду с адресом Т. В этот момент от устройства с вектором прерывания i приходит запрос на обслуживание центральным

Ячейки О З У

А Содержимое

Устройства ЭВМ 0 начальный адрес Область

1 флаги векторов прерываний

2 начальный адрес

3 флаги

2i N Вектор прерывания

флаги i – го устройства

i

Текущая

программа ЦП

T Текущая команда

T+1 Следующая команда

Адрес

T+1

N Программа обслуж.

прерывания i-го

устройства

IRET

Стек

текущая ячейка

Рис. 20. Схема работы прерываний центрального процессора.

процессором (путем выполнения программы устройства). Если ЦП может это сделать (а иногда включается запрет), то текущая команда выполняется до конца, определяется адрес следующей команды, например Т+1 и этот адрес из программного счетчика (счетчика команд) ЦП записывается в стек, показанный в нижней части ОЗУ.

Работа стека соответствует его названию stack – стог, стопка бумаг, тарелок и т.д. Удобнее представить стопку тарелок на столе. Предположим, что адрес Т+1 мы записали на новую тарелку и положили ее на стопку. В программный счетчик (счетчик команд) ЦП записывается адрес N из вектора прерываний. То же самое делается с регистром флагов. Это означает, что ЦП приступает к выполнению программы обслуживания прерываний устройства i. Однако в это время может поступить запрос на обслуживание от другого устройства, например таймера, а раньше была клавиатура. Поскольку таймер совсем не может ждать (всякое ожидание становится ошибкой), то ЦП снова

переходит на обслуживание нового прерывания, отложив на время старое прерывание. Но тот адрес, с которого нужно будет возобновить работу по отложенной программе (уже старому прерыванию), записывается снова в стек. Его конечно нельзя записывать в ячейку ранее записанного адреса Т+1, который тогда пропадет, нужно его записать в следующую ячейку. Это равносильно тому, что этот адрес мы записываем на новую тарелку и кладем ее в стопку поверх предыдущей тарелки. Несколько подряд прерываний называются вложенными. В конце каждой программы обслуживания прерывания записывают команду IRET – возврат из прерывания. При ее выполнении из стека берется последний записанный туда адрес и помещается в программный счетчик, то есть ЦП переходит к продолжению предыдущей программы. В нашем примере он возвращается к обслуживанию клавиатуры после обслуживания таймера. А в конце программы клавиатуры тоже стоит IRET, и он возвращается аналогично к первоначальной программе по адресу Т+1. Нетрудно аналогично представить работу стека, когда в него пишется не только адрес, но и регистр флагов. Существует специальный указатель стека (рис. 19). При записи данных в стек его значение сначала уменьшается на 1 (на рис. 19 это вверх) , а чтение данных из стека выполняется прямо по указателю. Стек выполняет запись данных в определенной последовательности и чтение их оттуда в строго обратной последовательности.

При добавлении к ЭВМ нового устройства ему нужно назначить номер (вектор) прерывания и порты ввода-вывода. Вполне возможны конфликтные ситуации, когда одни и те же векторы прерываний и порты ввода-вывода принадлежат нескольким устройствам, тогда они мешают работать друг другу. Вероятность такой ситуации существенно снизилась благодаря автоматическому распределению векторов и портов в системе Plag and Play (PnP, P&P), применяемой в настоящее время. Эту систему не поддерживала старая шина ISA, но поддерживают шины PCI и PCI-express (PCI-Е). При включении ЭВМ программа начальной настройки (Setup) опрашивает параметры всех наличных устройств и автоматически назначает им векторы прерывания и порты ввода-вывода, вместе с другой настройкой.

Кроме описанных выше аппаратных прерываний, которые приходят в случайный для ЦП момент времени, существуют также программные прерывания. Они представляют собой специальные команды ЭВМ, вставляемые программистом в нужные места программы и поэтому не приходят в случайные моменты времени. Механизм же их выполнения аналогичен аппаратным прерываниям, описанным выше.

Существует еще один способ обмена данными между ядром ЭВМ (ЦП + ОЗУ) и устройствами – прямой доступ к памяти (Direct Memory Access - DMA) устройством. Как следует из названия устройство обменивается данными с ОЗУ помимо процессора, это иногда называют внепроцессорным обменом, например, жесткий диск работает по DMA. Когда диск нашел нужный сектор, то скорость передачи данных между ним и ОЗУ очень велика, а требуется при этом всего лишь давать инкремент А+1, либо декремент А-1 адреса ОЗУ для каждого очередного байта, читаемого с диска в ОЗУ, либо записываемого из ОЗУ на диск. Для такой работы использовать ЦП неэффективно, можно применить гораздо более простой контроллер прямого доступа, основным элементом которого будет счетчик на сложение и вычитание (реверсивный), к тому же такой простой элемент работает очень быстро. Встречается название Ultra DMA, что означает очень быстрый DMA.

Производительность ЦП является одним из самых важных параметров, ее можно представить как количество операций, выполняемых процессором в 1сек. Существует единица измерения производительности MIPS (MegaInstruction per Second). Конечно этот параметр очень сильно зависит от типа операций и их последовательности. Чтобы исключить зависимость от памяти используют регистровые операции. Для экспериментальной проверки производительности процессора выполняют специальные тестовые программы, например, пакет WinStone фирмы Ziff-Davis. Этот и другие аналогичные пакеты определяют обобщенный показатель производительности при работе с текстами, электронными таблицами, базами данных. Производительность процессоров на различных задачах может сильно отличаться. В Интернете регулярно приводятся данные о сравнительном тестировании процессоров главных конкурентов - фирм Intel (Integral Electronics) и AMD (Advanced Micro Devices).

Необходимо отметить, что неотъемлемой и очень важной частью ЦП является кулер (вентилятор и радиатор). Помимо того, что некачественный кулер может привести к перегреву ЦП и даже выходу его из строя, он также может создавать большой шум. Наиболее надежны кулеры на шарикоподшипниках, но они и дороже.

Фирма Intel ввела для оценки производительности своих процессоров специальный iCOMP^tm Index (Intel Comparative Microprocessor Performance). Этот индекс учитывает набор показателей с весовыми коэффициентами относительно базового процессора.

Для повышения производительности процессоров и ЭВМ в целом широко используют параллельную обработку информации. Принцип параллельной (одновременной) работы нескольких устройств широко применяется во всех областях техники. Это может делаться не только для повышения производительности, но и для повышения надежности, например, резервированием. Примером параллельной обработки с целью повышения производительности служит конвейер (pipeline), по принципу работы он аналогичен и на сборке автомобилей, и при выполнении команд процессором. Последний широко применяется в ЭВМ наряду с другими конвейерами. Цикл выполнения команды разбивается на ряд этапов, например формирование адреса команды (ФАК), выборка команды из памяти (ВК), расшифровка кода операции (РКО), формирование адреса операнда (ФАО), выборка операнда из памяти (ВО) и наконец арифметическая или логическая операция (АЛО). Указанные этапы параллельно выполняются отдельными блоками конвейера. Работа конвейера во времени показана на рис. 21.

Этап	1	2	3	4	5	6	7	8
ФАК	К1	К2	К3	К4	К5	К6	К7	К8
ВК		К1	К2	К3	К4	К5	К6	К7
РКО			К1	К2	К3	К4	К5	К6
ФАО				К1	К2	К3	К4	К5
ВО					К1	К2	К3	К4
АЛО						К1	К2	К3

Рис. 21. Временная диаграмма конвейера команд

В установившемся режиме работы данного конвейера одновременно выполняется 6 команд, как видно в столбцах 6, 7, 8 диаграммы, то есть производительность увеличивается в 6 раз. Чем больше этапов, тем больше выигрыш в производительности. Этот режим устанавливается после заполнения конвейера на 6 этапе. Но это возможно в идеальном случае участка программы без условных переходов. Они начинают новую последовательность команд, заставляют дорабатывать оставшиеся команды и наново заполнять конвейер команд. Для того, чтобы конвейер не сбивался при условных переходах применяют предсказание наперед возможной последовательности команд. Принцип конвейера стараются применять в различных устройствах ЭВМ и в разных частях одного и того же устройства для повышения производительности, например в ОЗУ, жестких дисках и т.д.

Повышение производительности персональной ЭВМ побудил производителей ЦП к выпуску двухядерных процессоров. Например Intel Core 2 Duo имеет в одной микросхеме два ЦП, работающие параллельно, если это поддерживает выполняемая программа. Это не всегда возможно, и тогда работает только один процессор. Та же фирма уже выпустила четырехядерный процессор Intel Core 2 eXtreme QX6700.

Наиболее широко принцип повышения производительности ЭВМ за счет параллельной работы элементов нашел применение в компьютерных кластерах, называемых суперкомпьютерами. В них используются сотни и тысячи параллельно работающих ЭВМ, связанных между собою быстродействующей компьютерной сетью.

Видеоподсистема

Ее назначение - вывод информации из ЭВМ пользователю в виде изображений на экране. Это близко к принтерам, которые выводят изображение на бумаге, однако на экране можно быстро менять изображение и получать реалистическое движение как на экране телевизора. Самым заметным элементом видеоподсистемы является экран монитора, кроме монитора в ее состав входит видеоадаптер (видеокарта), который обычно располагается в системном блоке. В настоящее время в мониторах еще применяют электронно-лучевые трубки ЭЛТ (Cathode Ray Tube – CRT), хотя в новых ЭВМ используют матричные экраны. ЭЛТ была изобретена в 1897 г. немецким ученым Брауном и через несколько десятков лет начала применяться в осциллографах и телевизорах. Во время 2-й мировой войны – в радиолокаторах и позднее в ЭВМ. ЭЛТ остаются последними представителями некогда широко распространенных электронно-вакуумных приборов (радиоламп), которые были вытеснены полупроводниковыми. Основное физическое явление в основе ЭЛТ – свечение люминофора при падении на него электронов. Энергия падающих на большой скорости электронов переходит в свет. Для создания тонких линий и точек используется очень узкий пучок электронов (луч). Ниже на рис. 22 упрощенно представлено устройство ЭЛТ. Источником электронов является катод 1 с нитью накала (она слегка светится с тыльной стороны ЭЛТ). Их тонкий пучок 3 вылетает в направлении анода 7, и проходит через модулятор 2, который регулирует интенсивность пучка. Далее отклоняющая система 4, 5 или 6 направляет

10 свет

изображения

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Рис. 22. Устройство электронно-лучевой трубки

электроны в нужную точку 9 экрана 8. Все указанные элементы , кроме 6, работают в вакууме, поэтому они заключены в стеклянный баллон 10. С внутренней стороны баллона на экран нанесен люминофор, который светится при падении на него электронов, чем интенсивнее их поток, тем ярче свечение. На рис. 22 показано 2 типа отклоняющей системы: электростатическая 4,5 и магнитная 6. Как известно из физики, электроны отклоняются не только в электрическом, но и в магнитном полях. В мониторах ЭВМ и телевизорах применяется магнитная отклоняющая система, она выполнена в виде катушек, одеваемых на баллон. Электростатическая отклоняющая система в виде горизонтальной пары пластин 4 и вертикальной 5 применяется в осциллографах, она работает быстрее, но с маленьким экраном. На стеклянный баллон монитора, особенно со стороны экрана давит большая сила атмосферного давления. Например, экран монитора 17 дюймов по диагонали имеет размер около 33 х 25 см, сила давления на него составляет 825 кг. Это вынуждало делать для прочности выпуклые экраны, но такие экраны создают блики. В настоящее время эта техническая трудность преодолена – широко распространяются плоские экраны. Исходя из устройства ЭЛТ, можно сказать, что электронный луч рисует с обратной стороны экрана изображение, и мы его видим через стекло баллона. Изображение состоит из отдельных точек, называемых пикселами (pixel – picture element). Один пиксел требует для хранения несколько байт памяти.

Техника получения изображения на ЭЛТ была разработана в начале прошлого века и дала начало телевидению. Ее принципы используются в мониторе ЭВМ. Для простоты рассмотрим вначале черно-белую картинку (монохромную), как это и было в реальной жизни. Отклоняющая система перемещает электронный луч по экрану как изображено на рис. 23 ниже. Траектория движения напоминает траекторию движения нашего взгляда, когда мы читаем текст с листа бумаги: идем горизонтально вдоль строки слева направо, а в ее конце смещаемся вниз налево к началу следующей строки. Это называется строчной разверткой или телевизионным растром. Во время обратного хода луча в начало следующей строки он гасится посредством модулятора. Во время прямого хода луча по строке слева направо скорость его постоянна и он рисует по очереди все пикселы строки. Яркость каждого пиксела

Рис. 23. Строчная развертка луча ЭЛТ.

задается модулятором. Количество информации в изображении связано с таким показателем экрана как разрешение – (число пикселов по горизонтали) х (число пикселов по вертикали), например 1024 х 768 или 1280 х 1024. Первая величина – это количество пикселов в строке, вторая величина – это количество строк.

Как черно-белые телевизоры уступили место цветным, так и монохромные мониторы были заменены на цветные. Принцип получения любого цвета заключается в смешении трех основных цветов: красного, зеленого и синего при разной их яркости (Red, Green, Blue - RGB). Этот принцип смешения красок очень давно использовался и используется художниками. Цветная ЭЛТ имеет более сложную конструкцию, в ней на одном экране совмещено 3 отдельных монохромных ЭЛТ – каждая для своего цвета. Их пикселы должны быть совмещены на экране. Чтобы получить 3 цвета в пикселе, нужно нанести на экран очень близко друг к другу три мелких крупицы различного люминофора (красного, зеленого, синего), так как электроны не имеют цвета. Эти три крупицы составляют зерно экрана, размеры зерна составляют, например 0,2 мм. Должно быть три отдельных управляемых пучка электронов и каждый из них должен попадать на свою крупицу люминофора. Это сделано с помощью теневой маски, установленной на пути электронов. Понятно, что при указанных размерах каждого зерна экрана, а их порядка миллиона на экране, маска должна работать очень точно в условиях изменения температуры при нагреве ЭЛТ после включения монитора. Отсюда понятно и требование прогрева монитора около получаса перед оценкой качества его работы. Современные методы массового производства позволили снизить стоимость качественного цветного монитора до примерно 200 долл. (17 дюймовый), хотя темпы снижения их стоимости гораздо медленнее, чем для микросхем.

В матричных жидкокристаллических мониторах используется совсем другой физический принцип управления яркостью точки изображения – изменение плоскости поляризации света посредством электрического поля. Первый такой экран был продемонстрирован фирмой RCA (Radio Corporation of America) в 1966 г. и назывался жидкокристаллическим (LC – Liquid Crystal). Схема такого экрана показана ниже на рис. 24.

Для управления яркостью точки используется 9 – слойная структура, симметричная относительно 5 – го слоя из специального жидкого кристалла, который залит между двумя плоскими стеклами. Жидкий кристалл состоит из спиральных молекул (скрученных палочек), поворачивающих плоскость поляризации проходящего через него цветного предварительно поляризованного света. Как схематически изображено на рис. 25,

электромагнитные колебания поляризованного света можно уподобить колебаниям веревки в определенной плоскости, когда по ней идут волны.

После прохождения света через верхний поляризатор на рис. 24 все его волны имеют одну плоскость поляризации. Спиральные молекулы жидкого кристалла поворачивают на определенный угол эту плоскость поляризации. Нижний поляризатор подобран так, что пропускает повернутую плоскость поляризации и на выходе (внизу) свет виден. Если же к прозрачным электродам приложить электрическое напряжение, то электрическое поле выпрямляет спиральные молекулы, и они перестают поворачивать плоскость поляризации.

Тогда свет уже не проходит через нижний поляризатор. Название “жидкий кристалл” можно объяснить тем, что обычно кристаллы имеют свойство анизотропии к свету, а здесь этим свойством обладает жидкость. Анизотропия – это разница в свойствах в зависимости от направления. Поскольку спиральные молекулы ЖК ориентированы в пространстве одинаково, то поворот плоскости поляризации происходит при определенном направлении прохождения света.

СВЕТ

Пиксел

Поляризатор света

Цветокорректирующая пленка

Стекло

Прозрачный электрод

Жидкий кристалл 5 –10 мкм

Прозрачный электрод

Стекло

Цветокорректирующая пленка

Поляризатор света

Свет с управляемой яркостью

Рис. 24. Схема одного пиксела жидкокристаллического экрана

Поляризованный свет

Плоскость поляризации

Рис .25. Схема электромагнитных волн поляризованного света.

.

Для выбора нужного пиксела применяют матрицу проводников, похожую на матрицу запоминающего устройства (рис. 12). Предположим, что верхний прозрачный электрод образован горизонтальной линией, а нижний – вертикальной, тогда электрическое поле приложится на пересечении линий, и будет работать один пиксел. Для получения цветного изображения применяется смешение трех основных цветов (RGB) и наложение трех слоистых структур, аналогичных рис. 24.

Важные параметры ЖК- экрана:

1. Время реакции, это время между подачей электрического сигнала и изменением яркости пиксела, оно составляет около 25 микросекунд.

2. Угол зрения на экран – около 75 градусов.

Слоистая структура ЖК- экрана существенно уменьшила его глубину по сравнению с ЭЛТ и позволила применить современную технику работы с пленками при производстве экранов. Однако стоимость таких экранов попрежнему выше в несколько раз, чем на ЭЛТ, да и яркость ниже. По размеру зерна ЖК-экраны уступают ЭЛТ, а также по скорости, Но зато они более безопасны по излучениям.

Вернемся к наиболее распространенному монитору на ЭЛТ. Электронный луч движется по растру и вызывает вспышки люминофора в точках экрана – пикселах, однако свечение люминофора очень быстро исчезает. Можно применить люминофор с большим послесвечением, однако при всяком изменении картинки на экране она будет сильно смазываться, за курсором будет тянуться “хвост”. Иногда встречаются такие монохромные экраны, на них даже неплохо набирать текст.

Движение по экрану светящейся точки производится так быстро, что мы не замечаем этого движения. Инертность нашего зрения создает впечатление устойчивой немигающей картинки, хотя она прорисовывается много раз в секунду. Это называется регенерацией изображения и задается частотой регенерации, обычно около 80 Гц. Мигание можно заметить, если быстро вести взгляд по экрану поворачивая голову. Предположим для простоты вычислений, что частота регенерации равна 100 Гц, то есть на вывод картинки один раз отведена 1/100 с или 10 мс. Предположим, что экран имеет разрешение 1000 х 1000, тогда на один пиксел приходится время, равное 10 нс сравнимое со временем чтения из статической памяти. Для хранения пикселов изображения применяется видеопамять, находящаяся обычно в видеоадаптере. Каждый пиксел имеет в ней свой адрес, адреса следуют при чтении в порядке движения луча по растру. Отсюда исключается обратный ход луча, выполняемый очень быстро. Но возникает вопрос, а когда же в видеопамять записывается изображение ? Для видеопамяти может применяться специальная двухпортовая память, в которой один порт служит для чтения при выводе изображения, а второй – для записи, может также применяться более быстрая, чем 10 нс обычная память. Видеопамять для хранения одного экрана иногда называют страницей, в видеоадаптере может использоваться, например, две страницы, пока в одну записывается новая картинка из другой читается предыдущая, затем происходит переключение на новую картинку.

Сколько же информации отводится в видеопамяти под один пиксел и какой необходим общий объем видеопамяти ? В настоящее время яркость каждого цвета в пикселе хранится в одном байте, для трех цветов требуется 3 байта, при этом общее количество возможных цветов и оттенков равно 2²⁴, более 4 миллионов. Для упрощенного, но близкого к реальности вышеприведенного примера общий объем получается умножением числа байт пиксела на число пикселов, то есть примерно 3 МБ на одну страницу. Можно представить, что в видеопамяти хранится битовая карта (Bitmap) изображения. Из сказанного также можно сделать вывод, что для видеопамяти нерационально использовать ОЗУ ЭВМ, так как регенерация картинки займет очень много времени. В то же самое время в динамической видеопамяти последовательное быстрое чтение ячеек исключает необходимость регенерации памяти. Как было описано ранее в разделе ОЗУ, заряд на конденсаторе и вместе с ним информация затухает, а обращение к ячейке возобновляет заряд. Такое обращение ко всем ячейкам происходит не реже примерно 10 мс, за это время заряд не успевает затухнуть.

В приводимых параметрах видеокарт обычно указывают объем их памяти, который значительно превышающий ранее указанные 3 МБ. Это означает, что память используется не только для регенерации картинки, но и для ее построения с помощью специального процессора. В современных приложениях, например играх, применяются сложные динамические картинки. При их построениях требуется обработать в единицу времени очень большой объем информации, это полностью загрузит ЦП и ОЗУ, что нежелательно. К тому же обработка изображений требует достаточно малого количества характерных операций, на которых специальный процессор будет работать гораздо рациональнее. К таким специфическим задачам видеоподсистемы относятся:

1. Построение графических примитивов – точки, отрезка прямой, прямоугольника, дуги эллипса (в том числе круга). Такие примитивы записываются в память очень кратко путем задания их параметров. Например отрезок прямой записывается координатами двух крайних точек, а в битовой карте видеопамяти он изображается, может быть, сотнями точек в зависимости от его длины.

2. Заливка цветом замкнутого контура, поддержка курсора и окон, подвижка объекта по экрану (panning). Это были операции 2D. К операциям 3D относится движение объекта в пространстве (сдвиг, поворот, масштабирование), расчет перспективной проекции, представление поверхностей объектов из многоугольников, изменение освещенности поверхностей, узора на них, отражение от них света, определение невидимых частей объектов и т.д.

3. Цифровая фильтрация изображения, компрессия и декомпрессия (кодек), вывод изображения на TV, ввод и обработка TV-изображения.

Различают графические сопроцессоры и графические акселераторы. Сопроцессор работает на общей памяти с ЦП при построении картинки, то есть на ОЗУ, разделяя ее с ЦП. Акселератор работает на своей отдельной памяти, которая может иметь разрядность выше, чем ОЗУ, например 128, а не 64 с целью ускорения обмена процессор – ЗУ. Среди производителей видеокарт выделилось, как и в области ЦП, два главных конкурента – американская фирма Nvidia (название карт GeForce) и канадская фирма ATI (название карт Radeon), которая была куплена фирмой AMD.

Большое число практических приложений имеет дело с текстовой информацией, для которой нужны значительно меньшие объемы информации. Например, если на экране 30 строк текста по 80 символов, всего 2400, а на каждый символ – 2 байта, то для хранения экрана потребуется всего 4800 байт. Это примерно в 650 раз меньше, чем в вышеприведенном примере для объема видеопамяти. Картинка каждого символа делается на аппаратном уровне знакогенератором. Может отдельно применяться более экономный текстовый режим и графический, хотя текст можно представить как картинку. Из двух байт на хранение символа один нужен для кода символа, например ASCII, и второй байт дополнительно, например цвет символа, мигание и т.д.

К выходу видеокарты посредством кабеля подключается монитор, основная получаемая им информация - сигналы яркости трех основных цветов (RGB). Как уже ранее говорилось, на каждый цвет отводится по одному байту – 3 по 8 двоичных линий (бит). Но для уменьшения количества линий в кабеле до трех вместо 24 применяют в каждой из трех линий аналоговый сигнал. Он имеет как минимум 256 значений, а не 2 (2⁸ = 256). Для преобразования двоичных сигналов ЭВМ в аналоговые сигналы используются цифро-аналоговые преобразователи ЦАП (Digital-to-Analog Converter DAC), располагаемые в видеокарте. Используемые для этого микросхемы называются RAMDAC, поскольку в них содержится также ЗУ (RAM) палитры. Графическая карта соединялась с ЭВМ через AGP (Accelerated Graphic Port), в настоящее время через шину PCI-express.

Клавиатура

Это одно из основных устройств ввода информации непосредственно пользователем, исторически самое первое, если не считать кнопки. Пожалуй, клавиатура и есть набор кнопок. Существует большое разнообразие клавиатур. Они строятся на следующих физических принципах преобразования нажатия клавиши в электрический сигнал:

1. На электрическом контакте открытом или герметизированном (геркон), для надежности контакты могут быть позолоченными,

2. На основе токопроводящей резины,

3. На основе изменения электрической емкости,

4. На основе эффекта Холла.

Конструкция клавиатуры должна быть удобной для работы, например, для продолжительной работы удобна так называемая эргономическая клавиатура с площадками для отдыха кистей рук. В условиях влажности и загрязненности применяют герметическую клавиатуру без выступающих клавиш, например, в производственных условиях.

Обычная клавиатура содержит немногим более сотни клавиш (101-105). По назначению клавиши делятся на 4 группы:

1. Основные буквы и цифры,

2. Функциональные (соответствуют целой команде, например F1 – вызов подсказки),

3. Цифровые (Numeric Keypad),

4. Выделенные клавиши управления курсором, экраном и т.д.

Поскольку клавиатуру приходится часто переставлять, ее соединяют с ЭВМ гибким тонким кабелем с малым числом жил (проводов). Поэтому там применяют последовательную передачу данных. Клавиатура имеет собственный контроллер.

Манипуляторы “мышь” и “трэк-бол”

Они применяются для указания точки на экране с помощью курсора (указателя, маркера). От манипулятора в ЭВМ передаются текущие значения 2-х координат курсора Х и У. Х соответствует перемещению мыши по коврику вправо (Х увеличивается), и влево (Х уменьшается). У соответствует движению мыши от пользователя (У увеличивается), и к пользователю (У уменьшается). Манипуляторы можно разделить на механические и оптические. В состав механического манипулятора входит шар и два ролика с перпендикулярными осями вращения. Ролики связаны с шаром посредством трения, шар для этого покрыт резиной. Название “мышь (Mouse)” происходит от ее внешнего сходства с мышью. Движение мыши влево-вправо по коврику вращает один ролик, движение вперед-назад вращает другой ролик, а одновременно влево-вправо и вперед-назад вращают соответственно оба ролика. Углы поворота роликов через фотоэлектрические датчики “угол-код” передаются в ЭВМ. Поскольку мышь постоянно перемещается, она связана с ЭВМ еще более тонким кабелем, чем клавиатура, с последовательной передачей данных, например, по интерфейсу RS-232C (см. далее). Манипулятор “трэк-бол (Track-Ball)” – перевернутая мышь, шар которой поворачивают рукой. Благодаря компактности он применялся в портативных ЭВМ. Интерфейсы связи с ЭВМ мыши и трэк-бола не совпадают, хотя оба последовательные.

Оптические манипуляторы типа «мышь» работают более надежно, чем описанные ранее механические манипуляторы, так как в них отсутствуют движущиеся детали, а использованы микросхемы с оптическими датчиками. В настоящее время эти манипуляторы в значительной степени вытеснили механические благодаря тому, что их цена существенно снизилась.

Звуковая подсистема

По количеству воспринимаемой человеком информации слух стоит на втором месте после зрения. Однако он все еще сравнительно мало используется, а глаза перегружаются со всеми негативными последствиями для пользователей (порча зрения). Даже по внешней форме источник звука – громкоговоритель напоминает ЭЛТ, хотя он во много раз дешевле. Понятно, конечно, что звук не может заменить картинку и, кроме этого, звук создает помехи окружающим. Но традиционно звук (речь), важнейшее средство общения между людьми. Однако перенести это на ЭВМ пока ещё слабо удалось, хотя компьютерная речь уже понятна, а вот человеческая речь компьютеру пока еще слабо. Тем не менее ведутся очень большие работы в этой области. Основное практическое применение звуковой подсистемы в настоящее время – передача музыки , а также звуков в играх.

Изначальный громкоговоритель персональной ЭВМ (Speaker) не годится для хорошей музыки, для нее применяют звуковую карту, усилители и звуковые колонки (лучше деревянные) с несколькими громкоговорителями или наушники. Эта звуковая техника была хорошо разработана уже давно в радиоприемниках, проигрывателях пластинок и телевизорах. ЭВМ дали ей новый толчок в направлении качества и реалистичности, например, объемный звук (3-D Sound) с пятью и более источниками звука. У традиционного стерео – только два.

На изначальный громкоговоритель персональной ЭВМ подается двоичный сигнал от триггера, на низких частотах от работает как мотоцикл отдельными щелчками, чего не могут выдержать музыкальные уши. Оказывается человеческий слух очень чувствителен к скачкам сигнала, а на выходе триггера получаются импульсы. На громкоговоритель нужно подавать плавный аналоговый сигнал, который получают, как и для ЭЛТ, посредством ЦАП. Далее этот аналоговый сигнал проходит через усилитель возможно с коррекцией и далее на колонки, которые располагаются в различных местах относительно слушателя (спереди, слева, справа, сзади, сверху и т.д.).

Полный звуковой тракт от записи звука в ЭВМ до последующего воспроизведения можно представить схемой, приведенной ниже на рис. 26.

Микрофон Усилитель АЦП ЭВМ ЦАП Усилитель Громкоговоритель

Звук Звук

Рис. 26. Схема звукового тракта акустической подсистемы.

Звук представляет собой колебания давления, они передаются мембране микрофона и преобразуются там в колебания электрического напряжения. Далее этот аналоговый сигнал преобразуется в цифровую форму посредством АЦП (аналого-цифрового преобразователя). Принцип его работы представлен ниже на рис. 27. Непрерывные и плавные звуковые колебания представляются как отдельные точки сетки, это называется квантованием. Простой пример квантования – измерение температуры по шкале термометра. Мы привязываем высоту столбика к ближайшему делению шкалы с определенным приближением. Чем чаще или мельче деления, тем точнее измерение. Переход к шкале позволяет получить численное значение. То же самое происходит в АЦП с напряжением, но автоматически. Если измерять температуру в отдельные моменты времени, например через определенный интервал, то происходит также привязка к временной шкале или квантование по времени. На рис. 27 обе шкалы по напряжению и по времени образуют сетку, к точкам пересечения которой привязаны значения звукового сигнала. Этот процесс называют также

оцифровкой звука. Такой оцифрованный звук можно записывать в ЗУ и преобразовывать при необходимости процессором. При прослушивании звука (выводе) все происходит в обратном порядке. Аналогичная картина происходит с сигналами яркости пикселов. Густота сетки по вертикали определяется разрядностью АЦП и ЦАП, в настоящее время применяют 16 разрядов и более, естественно, чем больше разрядов, тем выше точность. Густота по горизонтали

U

t

Рис.27. Квантование аналогового сигнала по времени и по уровню.

определяется частотой квантования по времени называемой частотой дискретизации, обычно около 44 КГц и выше. Это связано с верхним частотным порогом слышимости, равным 20 КГц. Для восстановления аналогового сигнала по дискретному (цифровому) частота дискретизации должна быть в 2 раза выше максимальной частоты сигнала. Приведенные цифры показывают, что запись звука в ЭВМ связана с большим потоком данных и требует значительного объема памяти. Например, одна секунда звука – 88 КБ при разрядности 16 бит или 2 байта. На один мегабайт приходится около 11 секунд звука, а для одной минуты звука нужно около 6 МБ. Непосредственная запись оцифрованного звука соответствует формату WAV. Понятно, что применяют компрессию – декомпрессию информации, например, используют тот факт, что колебание идет плавно, без резких скачков, и переходят к записи приращений. Они имеют значительно меньшую разрядность, чем полная (16).

Наиболее известна в области звуковых подсистем фирма Creative Labs, ее звуковые карты Sound Blaster являются фактическим стандартом, хотя существуют десятки других фирм. В звуковых картах применяются специальные звуковые процессоры, которые избавляют ЦП от неэффективной работы и повышают производительность ЭВМ (аналогия с видеоподсистемой).

Принтеры

Они выводят информацию из ЭВМ на бумажные носители в виде текста и картин (чертежей, фотографий и т.д.). Бывают одноцветными и многоцветными. Их важный параметр – размер печатного листа. Этот размер стандартизован: А4 (297х216 мм), А3 (420х297 мм) и другие. При печати на рулонную бумагу задана только ширина рулона, длина не ограничена. По физическому принципу работы среди большого разнообразия принтеров можно выделить три основных типа: ударные (почти не применяются), струйные и лазерные.

Ударный принцип действия восходит еще к пишущим машинкам, где краситель с ленты переносится на бумагу ударом литеры. В настоящее время символы на бумаге получают по точкам с помощью ударов отдельных иголочек. Обычно в печатающей головке имеется один или несколько вертикальных рядов иголочек, которые перемещаются вдоль строки вместе с головкой и наносят в нужных местах точки на бумагу. Ударные принтеры (Impact Printer) очень неприхотливы к бумаге и могут через копирку печатать несколько копий, но создают шум и работают сравнительно медленно. Качество изображения у них сравнительно невысокое.

В струйных принтерах (Jet Printer) точки на бумагу наносятся крошечными соплами, выбрасывающими очень маленькие капельки красителя (чернил). Для выброса красителя используют очень быстрое нагревание с помощью резистора, либо с помощью микроволн, либо пьезоэлемента . Такие принтеры требовательны к качеству чернил, особенно опасно, если чернила засохнут в соплах. На бумаге они не должны расплываться. Струйные принтеры дают высокое качество изображения (1500 точек на дюйм ), символом такого качества является цветная фотография, получаемая на них. Они не создают шума и работают со значительной скоростью ( 12 листов А4 и более в минуту). Они имеют сравнительно небольшие размеры. Диапазон их стоимости очень широк – от самых дешевых до самых дорогих в зависимости от размеров изображения и других параметров. Для получения больших изображений (чертежей, плакатов) используют широкоформатные струйные принтеры, печатающие на бумажную ленту шириной 91 см (HP DesignJet 450C/488CA) или 137 см (HP DesignJet 3000CP Series).

Лазерные принтеры работают на принципе электрографии. Он выполняется в несколько этапов:

1. Вращающееся зеркало перемещает тонкий луч лазера по поверхности полупроводникового печатающего барабана, имеющего электрический заряд. Чем сильнее освещена каждая точка поверхности барабана, тем меньший заряд на ней остается. Таким образом на поверхности барабана создается изображение в виде электрического заряда.

2. Поверхность барабана обсыпается очень мелким красящим порошком (тонером), он также предварительно заряжен. Там, где на поверхности барабана сильнее заряд, прилипает больше порошка. Изображение получается из красителя.

3. Печатающий барабан прокатывается по бумаге и оставляет на ней краситель. Изображение переносится на бумагу.

4. Чтобы порошок не размазывался по бумаге, его закрепляют нагреванием.

Лазерные принтеры дают самое высокое качество и скорость, они не создают шума. Однако они самые дорогие из-за более сложного технологического процесса и требовательны к бумаге, не только к ее качеству, но и толщине.

Для получения различных цветов в принтерах, как и в мониторах, используется принцип смешения 3-х основных цветов. Однако здесь они другие: зелено-голубой (Cyan), светло-пурпурный (Magenta) и желтый (Yellow), то есть принцип (CMY). Разница между монитором и печатью состоит в том, что при очень низких яркостях цвета на мониторе получается черный цвет, а на принтере – белый (белая бумага). Так как белый цвет является суммой всего спектра, то из него нужно вычитать основные цвета. Смешение всех основных цветов CMY должен дать черный цвет.

Принтеры имеют свои контроллеры, в них применяются свои языки управления, например QuickDraw фирмы HP. Для обеспечения равномерного процесса печати (без остановок) в них предусматривается буфер памяти значительного объема (до нескольких десятков мегабайт). Связь с ЭВМ осуществляется по интерфейсам Centronics, USB. Для равномерной загрузки принтера экономически целесообразно иметь один принтер на несколько персональных ЭВМ, например, один сетевой принтер в локальной сети, тогда большой буфер хорошо используется для хранения очереди заданий на печать (Spooling). Для работы принтера без постоянного надзора человека нужно иметь на нем автоматическую подачу чистых листов бумаги – автоматическую загрузку или печатать на рулонную бумагу, а затем ее разрезать.

Сканеры

Относительно принтера сканер работает наоборот – вводит информацию с документа в ЭВМ. Можно даже представить, что принтер зафиксировал информацию на бумаге и она хранится там на протяжении некоторого времени. По мере необходимости ее можно с бумаги много раз вводить в ЭВМ. Здесь бумага как самый традиционный хранитель информации. В основе работы сканера лежит микросхема матрицы микроскопических фотоэлементов CCD (Charge Coupled Device). На поверхность матрицы проецируется с помощью объектива изображение документа (как в фотоаппарате на пленку). Каждому пикселу соответствует свой фотоэлемент, освещенность которого определяет его выходное напряжение. С помощью матрицы проводников (как в ЗУ на рис. 12) фотоэлементы выбираются в нужном порядке (сканируются), например по растру, выходное напряжение каждого из них оцифровывается с помощью АЦП и вводится в ЭВМ. Обычно размеры матрицы позволяют охватить только часть документа, поэтому ее перемещают вдоль него. В ручных сканерах такое перемещение производит пользователь, при этом охватывается полоса порядка 10 см. В планшетных и рулонных сканерах это движение выполняется автоматически. При сканирование цветных изображений используется разложение на 3 основных цвета, например трехразовое сканирование.

Аналогично принтеру основные параметры сканера:

1. Разрешающая способность в точках на дюйм, например 600 dpi (dots per inch),

2. Размеры документа, например А4 (297 х 216),

3. Производительность, например 5,5 мс на строку.

Есть и специфические для сканера характеристики, такие как обработка изображения, распознавание текста и другие. При вводе изображения сканером оно представляется в различных форматах и производится сжатие информации, скажем формат TIFF 6.0 и сжатие JPEG. Сканер соединяется с ЭВМ по параллельному двунаправленному интерфейсу или другим.

Одно из наиболее частых применений сканера – ввод текстовых документов (отдельных листов, страниц книги и т.д.). Сначала вводятся все пикселы документа сканированием, а затем можно включить режим распознавания символов и перейти к работе в текстовом редакторе, например Word. Можно вручную исправить ошибки распознавания и продолжить работу в редакторе.

Принцип модульности в ЭВМ и интерфейсы

После ознакомления с основными устройствами ЭВМ можно рассмотреть вопросы их объединения в единую систему – ЭВМ. Принцип модульности существенно облегчает задачу объединения отдельных элементов. Он широко применяется в современной технике для любых машин – автомобилей, станков, стиральных машин и т.д. Принцип модульности хорошо иллюстрирует детская игра в кубики – путем их комбинирования можно собирать самые различные вещи: домики, самолеты, корабли,… Эти кубики очень легко и быстро объединяются, как и отдельные рассмотренные нами устройства. Из них можно собрать такую ЭВМ, которая наилучшим образом устраивает пользователя, а затем вести дальнейшее ее улучшение (upgrade), заменяя отдельные устройства. При этом требуется стандартизация устройств, особенно их соединений между собой – интерфейсов. Это относится и к программному обеспечению. При наличии международных стандартов производители отдельных устройств и программ могут быть разбросаны по всему миру. Полученные таким образом компьютеры сами подстегивают международную кооперацию с помощью глобальной сети Internet, такое замыкание на себя еще более ускоряет развитие ЭВМ, а вместе с этим и всего остального.

В современных условиях можно очень быстро собрать персональную ЭВМ и запустить в работу. С точки зрения механики все размеры элементов стандартизованы, они легко вставляются в системный блок (корпус - Case) и крепятся небольшим числом винтов. Электрические соединения выполняются за секунды благодаря разъемам (Сonnector - соединитель). Это также ускоряет ремонт путем быстрой замены неисправных элементов. Конечно за это приходится платать – разъемы занимают место, немало стоят и снижают надежность соединений по сравнению с пайкой. Но это экономически оправдывается.

По мере развития ЭВМ их скорость работы возросла на много порядков, соответственно возросло и продолжает возрастать быстродействие интерфейсов. Например, старая локальная шина ввода-вывода ISA в свое время уступила место шине PCI (Peripheral Component Interconnect). Кроме более высокой скорости работы, в PCI были введены возможности PnP (автоматической самонастройки ЭВМ). Шина PCI сравнительно недавно уступила место шине PCI-express. В развитии компьютерных шин можно усмотреть влияние быстро развивающихся компьютерных сетей.

Для более четкого представления об интерфейсах ЭВМ рассмотрим кратко простой параллельный интерфейс Centronics, связывающий обычно принтер с ЭВМ. При передаче информации имеется две стороны – передатчик и приемник, связанные между собой каналом связи. Рис. 10 показывает элементарную цепь передач битов информации от триггера (передатчик) в логическое устройство (приемник) и от него (на следующем этапе оно уже передатчик) в следующий триггер (приемник), на схемах принято направление передач слева направо. При малых расстояниях обычно каждый бит имеет свою отдельную линию связи (канал), например внутри микросхемы.

ЭВМ в нашем случае будет передатчиком, а принтер – приемником, от первого ко второму передаются один за другим байты информации по соединяющему их кабелю длиной не более 1,8 м. При этом каждый бит имеет свою линию так же, как и обычно внутри устройства. Начало каждой линии подключается к выходному триггеру передатчика, а конец – ко входному триггеру приемника (похоже на рис. 10). Поскольку передача ведется байтами (8 бит сразу), то удобно сразу рассматривать 8 триггеров параллельно, которые образуют 8-разрядный регистр с общим сигналом строба С. Для простоты оставим в стороне устройство передатчика, рассмотрим только входной регистр приемника с его входными сигналами данных и строба, как показано на рис. 28 ниже.

Передатчик Приемник

(ЭВМ) (Принтер)

D0…D7

STROBE 0.5s

BUSY

ACKNLG

1,8 м

Рис. 28. Сигналы в интерфейсе Centronics.

При синхронной передаче, как например, внутри процессора, достаточно было бы только двух верхних сигналов (данных D и строба), но принтер может не успеть принять очередной байт. Тогда этот байт пропадет, а вместе с ним и буква в тексте. Внутри процессора все подобрано так, что должно успевать срабатывать по единым стробам (тактам). Между ЭВМ и принтером осуществляется асинхронная передача байт. Это означает, что передатчик дает следующий байт только тогда, когда его запросит приемник, байты могут идти неравномерно. Для этого введено еще два обратных сигнала от приемника, их направление показано стрелочками. Полная последовательность сигналов показана схематически на рис. 28. Передатчик посылает по 8 линиям данные D0-D7 и спустя небольшое время, за которое они должны установиться, дает скачок вниз сигнала строба (STROBE). В данном случае по сравнению с рис. 10 этот сигнал пропускается через инвертор. По этому скачку (фронту) входной регистр приемника записывает данные и хранит их столько, сколько нужно для обработки приемником (например, записи в приемный буфер принтера). Одновременно приемник выставляет сигнал BUSY (Занят). Передатчик по этому сигналу не имеет права передавать следующий байт. Через некоторое время, требующееся на обработку байта, приемник снимает сигнал BUSY и дает еще для надежности передатчику сигнал подтверждения приема байта ACKNLG (Acknowledge). После этого начинается цикл передачи следующего байта. Если в принтере закончится бумага или произойдет какой-либо отказ, то он посылает в передатчик сигнал ERROR (ошибка). Данное описание может служить простым примером протокола передачи. Чтобы она работала, нужно еще соблюсти электрические условия: напряжение питания 5 В, уровни сигнала по напряжению (низкий 0,4 В , высокий 2,4 В), волновое сопротивление кабеля 60 –80 ом, длину кабеля не более 1,8 м. Чтобы все линии кабеля правильно соединились между собой при соединении разьема, нужно соответствие штырьков, что задается таблицей с номерами штырьков и обозначениями линий. Конечно, обе половинки разъема должны быть однотипными. Все эти данные документируются в интерфейсе и являются стандартом. Интерфейс Centronics – это параллельный порт LPT персональной ЭВМ.

Имеется еще последовательный порт COM, работающий по стандартному интерфейсу RS-232C. Он тоже асинхронный благодаря сигналу готовности приемника к работе. Интересная особенность в нем – последовательная во времени передача битов данных. Если передача ведется на большое расстояние, то стоимость проводов велика и имеет смысл перейти к одному проводу вместо восьми D0…D7. Или если нужно уменьшить число жил в кабеле для его гибкости, как в мыши или клавиатуре. В этом случае придется передавать биты по очереди, например, начиная с D0. При этом существенно возрастает время передачи. Ниже на рис. 29 показаны сигналы, соответствующие одному передаваемому байту данных, число передаваемых

Стартовый бит Бит четности

Биты данных (байт) Стоп-биты

+12 В t

- 12 В 0 1 2 3 4 5 6 7 8

Рис.29. Схема передачи одного байта в последовательном интерфейсе RS-232C.

битов возросло с 8 до 12. Исходный уровень напряжения на линии +12 В. Вначале передатчик посылает скачок вниз до –12 В стартового бита и этим запускает начало отсчета времени приемником. Заранее выбирается одна из стандартных частот передачи данных: 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600 бод (можно считать бит в сек), например 4800. Это означает, что интервал времени одного бита 208,3 мксек. Спустя это время плюс некоторый запас, скажем 100 мксек, приемник проверяет напряжение на линии, если оно близко к +12 В, то бит с номером 0 равен нулю, если напряжение на линии близко к –12 В, то бит с номером 0 равен единице. Через 208,3 мксек приемник таким же образом определяет значение бита с номером 1 и т.д. Количество принятых бит подсчитывается. Девятый принятый бит (с номером 8) позволяет обнаруживать одиночные ошибки, как показано на рис.15. После двух последних битов передача байта заканчивается, уровень на линии должен установиться близким к +12 В. На самом деле этот уровень несколько колеблется из-за помех на линии, которая может иметь большую длину. Если уровень на линии устанавливается постоянно 0 В, это означает обрыв линии.

В настоящее время благодаря успехам электроники перешли на очень высокие скорости передачи, поэтому даже у последовательных интерфейсов получается достаточно высокая скорость передачи. К таким интерфейсам относятся SATA (Serial ATA) для подключения дисков и интерфейс USB (Universal Serial Bus) для подключения к ЭВМ самых разнообразных периферийных устройств.

На основе указанной ранее шины PCI была разработана ранее специально для видеоподсистемы шина AGP. Имеется ряд других шин.

Системная плата

Единое представление об ЭВМ дает ее структурная схема, которая показывает, из каких устройств состоит ЭВМ и как они соединены между собой. Такая схема приведена ниже на рис. 30.

Центральный процессор

Регистры Оперативное

Кэш запоминающее

Устройство

Шина процессора DRAM

Монитор

Память Кэш SRAM

Графический PCI-e Контроллер

процессор памяти

Локальная шина ввода-вывода PCI-express

HDD

SАТА Мостовая

схема Таймер

Шина USB

Периферийные устройства

Рис. 30. Структурная схема персональной ЭВМ

Более толстые пунктирные линии от внешних устройств изображают основные подключения внешних устройств ЭВМ (клавиатуры, мыши, принтера и т.д.). Данную схему следует рассматривать как приблизительную, так как ЭВМ очень быстро изменяются по пути повышения производительности.

Объединение всех элементов персональной ЭВМ выполняет корпус и системная (материнская) плата. В корпусе устанавливаются и механически закрепляются винтами отдельные элементы, в том числе и сама системная плата. На ней располагаются электрические разъемы (чаще их гнезда ) для подключения элементов ЭВМ. Примером простейшего разъема на 2 контакта может служить розетка (гнездо) и вилка бытовой электросети 220 В. Гнездо процессора часто называют сокет (Socket), в нем может быть несколько сотен контактов. Гнезда адаптеров называют слотами (Slot), так как они прямолинейные – рассчитаны под печатные платы адаптеров устройств. Параметры, в том числе быстродействие, и особенности системной платы во многом определяются набором ее микросхем (чипсет), которые выполняют основную работу по связи элементов ЭВМ между собой.

На системной плате располагается ПЗУ базовой системы ввода-вывода (BIOS – Basic Input/Output System). В качестве ПЗУ может использоваться флэш-память, которая позволяет записывать новые версии BIOS. Далее рассматриваются функции BIOS.

1. После включения компьютера нужно выполнить инициализацию и начальное тестирование аппаратных средств ЭВМ. Но в ОЗУ еще нет никаких программ, так как при отключении питания вся информация там стирается. Поэтому программу теста POST (Power ON Self Test) и другие программы приходится располагать в ПЗУ.

2. Далее выполняется настройка и конфигурирование аппаратных средств и системных ресурсов программой Setup. Она выполняет требования Plug & Play, опрашивая параметры установленных в ЭВМ устройств. Опции (варианты) работы Setup можно задавать вручную с клавиатуры.

3. Выполняется загрузка операционной системы с диска программой Bootstrap Loader.

Следующие функции BIOS выполняются постоянно при работе ЭВМ.

4. Обслуживание аппаратных прерываний от устройств ЭВМ (BIOS Hardware Interrupts) .

5. Отработка базовых функций программных обращений к устройствам (BIOS Services).

В ЭВМ обязательно имеется еще одно крайне важное устройство – блок питания. Он устанавливается в заднюю часть корпуса обычно сверху и создает постоянный шум своим вентилятором. Блок питания ограждает ЭВМ от проникновения высокочастотных помех из электросети и от кратковременных перенапряжений. Однако он не может бороться против внезапного отключения напряжения в сети, которое приводит к потере информации, не сохраненной на диск. Для этой цели служат источники бесперебойного питания UPS (Uninterruptable Power Supply). Следует соблюдать правила электробезопасности, которые исключают поражение человека и повреждение ЭВМ. Например, всякие переключения внутри ЭВМ можно вести только при выключенной электросети, в том числе вставлять и вынимать разъемы.

Литература

1. Партыка Т.Л., Попов И.И. Вычислительная техника:учебное пособие. М.:ФОРУМ:ИНФРА-М.2007.-608 с.:ил.

2. Соломенчук В., Соломенчук П. Железо ПК 2007. С-Петербург, БХВ-Петербург, 2007.-486 с.:ил.

3. Гук.М. Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия. – СП, Изд. «Питер», 2002.-816с.:ил.

4. Ларионов А.М., Майоров С.А., Новиков Г.И. Вычислительные комплексы, системы и сети: Учебник для вузов. Л.: Энергоатомиздат, 1987.-288с.:ил.

5. Толковый словарь по вычислительным системам / Под ред.В.Иллингоута и др., Пер. с англ. А.К.Белоцкого и др.; Под ред. Е.К.Масловского,-М.: Машиностроение, 1991,-560с.: ил.

6. www:\http:\wikipedia.org

7. http:\\ixbt.com

8. “Компьютерная газета” - еженедельное периодическое издание