Периферийные устройства

Классификация периферийных устройств
Периферийное устройство (ПУ) - устройство, входящее в состав внешнего
оборудования микро-ЭВМ, обеспечивающее ввод/вывод данных, организацию
промежуточного и длительного хранения данных.
Выделяют следующие основные функциональные классы периферийных устройств.
1. ПУ, предназначенные для связи с пользователем. К ним относят различные
устройства ввода (клавиатуры, сканеры, а также манипуляторы - мыши,
трекболы и джойстики), устройства вывода (мониторы, индикаторы, принтеры,
графопостроители и т.п.) и интерактивные устройства (терминалы, ЖКпланшеты с сенсорным вводом и др.)
2. Устройства массовой памяти (винчестеры1), дисководы2), стримеры3) , накопители
на оптических дисках, флэш-память4) и др.)
3. Устройства связи с объектом управления (АЦП, ЦАП, датчики, цифровые
регуляторы, реле и т.д.)
4. Средства передачи данных на большие расстояния (средства телекоммуникации)
(модемы, сетевые адаптеры).
Большинство периферийных устройств подключаются через промежуточные периферийные интерфейсы,
находящиеся на нижних уровнях иерархии подключений (на верхнем уровне — системная шина, см.
далее). Периферийные интерфейсы — самые разнообразные из всех аппаратных интерфейсов. К
периферии, подключаемой через промежуточные интерфейсы, относятся большинство устройств хранения
(дисковые, ленточные), устройств ввода-вывода (дисплеи, клавиатуры, мыши, принтеры, плоттеры), ряд
коммуникационных устройств (внешние модемы). По назначению периферийные интерфейсы можно
разделить на специализированные и универсальные, выделенные и разделяемые:
¦ Специализированные интерфейсы ориентированы на подключение устройств определенного узкого
класса, и в них используются сугубо специфические протоколы передачи информации. Примеры —
популярнейший интерфейс мониторов VGA, интерфейс накопителя на гибких дисках, традиционные
интерфейсы клавиатуры и мыши, IDE/АТА и ряд других.
¦ Универсальные интерфейсы имеют более широкое назначение, их протоколы обеспечивают доставку
данных, не привязываясь к специфике передаваемой информации. Примеры — коммуникационные порты
(СОМ), интерфейс SCSI, шины USB и FireWire.
¦ Выделенные интерфейсы позволяют подключить к одному порту (точке подключения) адаптера
(контроллера) лишь одно устройство; число подключаемых устройств ограничено числом портов. Примеры —
СОМ-порт, интерфейс VGA-монитора, порт AGP, интерфейс Serial SCSI.
¦ Разделяемые интерфейсы позволяют подключить к одному порту адаптера множество устройств.
Варианты физического подключения разнообразны: шина (жесткая, как ISA или PCI; кабельная шина SCSI и
IDE/ATA), цепочка (daisy chain) устройств (SCSI, IEEE 1284.3), логическая шина на хабах (USB) или
встроенных повторителях (IEEE 1394 FireWire).
Интерфейсы SCSI
Интерфейс SCSI был разработан в конце 1970-х годов и предложен организацией
Shugart Associates. Первый стандарт на этот интерфейс был принят в 1986
г. SCSI определяет только логический и физический уровень. Устройства,
подключенные к шине SCSI, могут играть две роли: Initiator (ведущий) и Target
(ведомый), причем одно и то же устройство может быть как ведущим, так и ведомым. К
шине может быть подключено до восьми устройств. Каждое устройство на магистрали
имеет свой адрес (SCSI ID) в диапазоне от 0 до 7. Одно из этих устройств - хостадаптер SCSI. Ему обычно назначают SCSI ID = 7. Хост-адаптер предназначен для
осуществления обмена с процессором. Хост-адаптер, как правило, имеет разъемы для
подключения как встраиваемых, так и внешних SCSI-устройств.
Стандарт SCSI определяет два способа передачи сигналов - синфазный и
дифференциальный. В первом случае сигналы на линиях имеют ТТЛ-уровни, при этом
длина кабеля ограничена 6 м. Версии шины SCSI с дифференциальной передачей
сигнала ("токовой петлей") дают возможность увеличить длину шины до 25 м.
Чтобы гарантировать качество сигналов на магистрали SCSI, линии шины должны быть
с обеих сторон согласованы при помощи набора согласующих резисторов, или
терминаторов. Терминаторы должны быть установлены на хост-адаптере и на
последнем устройстве магистрали. Обычно используют один из трех методов
согласования:



пассивное согласование при помощи резисторов;
FPT (Force Perfect Termination) - улучшенное согласование с исключением
перегрузок при помощи ограничительных диодов;
активное согласование при помощи регуляторов напряжения.
Обмен данными между устройствами на шине SCSI происходит в соответствии с
протоколом высокого уровня на основе стандартного списка команд - CCS (Common
Command Set). Этот универсальный набор команд обеспечивает доступ к данным с
помощью адресации логических, а не физических блоков. С внедрением в
спецификацию CSS команд, поддерживающих приводы CD-ROM, коммуникационные
устройства, сканеры и др. (стандарт SCSI-2), стала осуществимой работа практически с
любыми блочными устройствами.
В исходном стандарте шина SCSI имеет восемь линий данных. Для повышения
производительности в спецификацию SCSI-2 введен так называемый широкий (Wide)
вариант шины данных, предусматривающий наличие дополнительных 24 разрядов. Для
повышения пропускной способности шины SCSI было предложено увеличить тактовую
частоту обмена примерно в два раза, что послужило основой нового стандарта - Fast
SCSI-2. Дальнейшее увеличение пропускной способности шины привело к появлению
стандарта UltraSCSI (см. табл. 15.1).
Следует отметить, что существует также спецификация на программный интерфейс
драйверов хост-адаптера и SCSI-устройств, разработанная фирмой Adaptec, ASPI
(Advanced SCSI Programming Interface). Другая спецификация - SCAM (SCSI
Configuration Auto Magically) - позволяет упростить настройку SCSI-устройств и скрыть
от пользователя некоторые ее детали.
Интерфейс RS-232C
Первоначально этот интерфейс использовался для подключения ЭВМ и терминалов к
системе связи через модемы, а также для непосредственного подключения терминалов
к машинам. До недавнего времени последовательный интерфейс использовался для
широкого спектра периферийных устройств (плоттеры, принтеры, мыши, модемы и
др.), но сейчас активно вытесняется интерфейсом USB.
Обычно ПК имеют в своем составе два интерфейса RS-232C, которые обозначаются
COM1 и COM2. Возможна установка дополнительного оборудования, которое
обеспечивает функционирование в составе PC четырех, восьми и шестнадцати
интерфейсов RS-232C. Для подключения устройств используется 9-контактный (DB9)
или 25-контактный (DB25) разъем.
Интерфейс RS-232C содержит сигналы квитирования, обеспечивая асинхронный режим
функционирования (табл. 15.2). При этом одно из устройств (обычно компьютер)
выступает как DTE (Data Terminal Equipment - оконечное устройство), а другое - как
DCE (Data Communication Equipment - устройство передачи данных), например, модем.
Соответственно, если для DTE какой-то сигнал является входным, то для DCE этот
сигнал будет выходным, и наоборот.
Квитирование
Процесс, в результате которого два независимых друг от друга устройства аппаратного обеспечения
координируют свои сигналы и получают возможность работать совместно.
Основные принципы обмена информацией по интерфейсу RS-232C заключаются в
следующем:
1. Обмен данными обеспечивается по двум цепям, каждая из которых является для
одной из сторон передающей, а для другой - приемной.
2. В исходном состоянии по каждой из этих цепей передается двоичная единица,
т.е. стоповая посылка. Передача стоповой посылки может выполняться сколь
угодно долго.
3. Передаче каждого пакета данных предшествует передача стартовой посылки,
т.е. передача двоичного нуля в течение времени, равного времени передачи
одного бита данных.
4. После передачи стартовой посылки обеспечивается последовательная передача
всех разрядов данных, начиная с младшего разряда. Количество битов может
быть 5, 6, 7 или 8.
5. После передачи последнего бита данных возможна передача контрольного
разряда, который дополняет сумму по модулю 2 переданных разрядов до
четности или нечетности. В некоторых системах передача контрольного бита не
выполняется.
6. После передачи контрольного разряда или последнего бита, если формирование
контрольного разряда не предусмотрено, обеспечивается передача стоповой
посылки. Минимальная длительность посылки может быть равной длительности
передачи одного, полутора или двух бит данных.
Интерфейс IEEE 1284
IEEE 1284 (порт принтера, параллельный порт, англ. Line Print Terminal, LPT) —
международный стандарт параллельного интерфейса для подключения периферийных устройств
персонального компьютера.
В основном используется для подключения к компьютеру принтера, сканера и других внешних
устройств (часто использовался для подключения внешних устройств хранения данных), однако
может применяться и для других целей (организация связи между двумя компьютерами,
подключение каких-либо механизмов телесигнализации и телеуправления).
В основе данного стандарта лежит интерфейс Centronics и его расширенные версии (ECP, EPP).
Название «LPT» образовано от наименования стандартного устройства принтера «LPT1» (Line
Printer Terminal или Line PrinTer) в операционных системах семейства MS-DOS.
Режимы работы
Стандарт позволяет использовать интерфейс в нескольких режимах:

SPP (Standard Parallel Port) — однонаправленный порт, полностью совместим с
интерфейсом Centronics.

Nibble Mode — позволяет организовать двунаправленный обмен данными в режиме SPP
путём использования управляющих линий (4 бит) для передачи данных от периферийного
устройства к контроллеру. Исторически это был единственный способ использовать Centronics
для двустороннего обмена данными.

Byte Mode — редко используемый режим двустороннего обмена данными. Использовался
в некоторых старых контроллерах до принятия стандарта IEEE 1284.

EPP (Enhanced Parallel Port) — разработан компаниями Intel, Xircom и Zenith Data
Systems — двунаправленный порт, со скоростью передачи данных до 2МБайт/сек.(1991)

ЕСР (Extended Capabilities Port) — разработан компаниями Hewlett-Packard и Microsoft — в
дополнение появились такие возможности, как наличие аппаратного сжатия данных,
наличиебуфера и возможность работы в режиме DMA.
Инфракрасный интерфейс
Infrared Data Association — IrDA, ИК-порт, Инфракрасный порт — группа стандартов,
описывающая протоколы физического и логического уровня передачи данных с
использованием инфракрасного диапазона световых волн в качестве среды передачи.
Является разновидностью оптической линии связи ближнего радиуса действия.
Была особо популярна в конце 1990-х начале 2000-х годов. В данное время практически
вытеснена более современными способами связи, такими как WiFi и Bluetooth. Основные причины
отказа от IrDA были:
Усложнение сборки корпусов устройств, в которых монтировалось ИК-прозрачное окно.


Ограниченная дальность действия и требования прямой видимости пары приемникпередатчик.

Относительно низкая скорость передачи данных первых реализаций стандарта. В
последующих ревизиях стандарта этот недостаток исправили: скоростные возможности
немного превышают, например, возможности самой распространенной, на сегодняшний
момент, версии протокола Bluetooth (спецификация 4.0). Однако широкого распространения
скоростные варианты IrDA получить уже не успели.
Аппаратная реализация
Аппаратная реализация, как правило, представляет собой пару из передатчика, в
виде светодиода, и приемника, в виде фотодиода расположенных на каждой из сторон линии
связи. Наличие и передатчика и приемника на каждой из сторон является необходимым для
использования протоколов гарантированной доставки данных.
В ряде случаев, например при использовании в пультах дистанционного управления бытовой
техникой, одна из сторон может быть оснащена только передатчиком а другая только приемником.
Иногда устройства оснащают несколькими приемниками, что позволяет одновременно
поддерживать связь с несколькими устройствами. Использование при этом одного передатчика
возможно благодаря тому, что протоколы логического уровня требуют лишь незначительного
обратного трафика для обеспечения гарантированной доставки данных.
Наличие нескольких передатчиков встречается гораздо реже.
Большинство оптических сенсоров, используемых в фото и видео камерах, имеет диапазон
чувствительности гораздо шире видимой части спектра. Благодаря этому работающий
инфракрасный передатчик можно увидеть на экране или фотоснимке в виде яркого пятна.
Интерфейс USB
Интерфейс USB представляет собой последовательную, полудуплексную,
двунаправленную шину со скоростью обмена:


USB 1.1 - 1,5 Мбит/с или 12 Мбит/с;
USB 2.0 - 480 Мбит/с.
Шина позволяет подключить к ПК до 127 физических устройств. Каждое физическое
устройство может, в свою очередь, состоять из нескольких логических (например,
клавиатура со встроенным манипулятором-трекболом).
Кабельная разводка USB начинается с узла (host) (рис. 15.3). Хост обладает
интегрированным корневым концентратором (root hub), который предоставляет
несколько разъемов USB для подключения внешних устройств. Затем кабели идут к
другим устройствам USB, которые также могут быть концентраторами, и
функциональным компонентам (например, модем или акустическая система).
Концентраторы часто встраиваются в мониторы и клавиатуры (которые являются
типичными составными устройствами). Концентраторы могут содержать до семи
"исходящих" портов.
Рис. 15.3. Топология подключения устройств к USB
Для передачи сигналов шина USB использует четырехпроводной интерфейс. Одна пара
проводников ("+5В" и "общий") предназначена для питания периферийных устройств с
нагрузкой до 500 мА. Данные передаются по другой паре ("D+" "D"). Для передачи
данных используются дифференциальные напряжения до 3 В (с целью снижения
влияния шума) и схема кодирования NRZI1) (что избавляет от необходимости выделять
дополнительную пару проводников под тактовый сигнал).
Интерфейс USB 1.1 декларирует два режима:


низкоскоростной подканал (пропускная способность - 1,5 Мбит/с),
предназначенный для таких устройств, как мыши и клавиатуры;
высокопроизводительный канал, обеспечивающий максимальную пропускную
способность 12 Мбит/с, что может использоваться для подключения внешних
накопителей или устройств обработки и передачи аудио- и видеоинформации.
Все концентраторы должны поддерживать на своих исходящих портах устройства обоих
типов, не позволяя высокоскоростному трафику достигать низкоскоростных устройств.
Высокопроизводительные устройства подключаются с помощью экранированного
кабеля, длина которого не должна превышать 3 м. Если же устройство не формулирует
особых требований к полосе пропускания, его можно подключить и неэкранированным
кабелем (который может быть более тонким и гибким). Максимальная длина кабеля для
низкоскоростных устройств - 5 м. Требования устройства к питанию (диаметр
проводников, потребляемая мощность) могут обусловить необходимость использования
кабеля меньшей длины. Из-за особенностей распространения сигнала по кабелю число
последовательно соединенных концентраторов ограничено шестью (и семью
пятиметровыми отрезками кабеля).
Хост узнает о подключении или отключении устройства из сообщения от концентратора
(эта процедура называется опросом шины - bus enumeration). Затем хост присваивает
устройству уникальный адрес USB (1:127). После отключения устройства от
шины USB его адрес становится доступным для других устройств.
Для индивидуального обращения к конкретным функциональным возможностям
составного устройства применяется 4-битное поле конечной точки. В низкоскоростных
устройствах за каждой функцией закрепляется не более двух адресов конечных точек:
нулевая конечная точка используется для конфигурации и определения состояния USB,
а также управления функциональным компонентом; а другая точка - в соответствии с
функциональными возможностями компонента. Устройства с максимальной
производительностью могут поддерживать до 16 конечных точек, резервируя нулевую
точку для задач конфигурации и управления USB.
Хост опрашивает все устройства и выдает им разрешения на передачу данных
(рассылая для этого пакет-маркер - Token Packet). Таким образом, устройства лишены
возможности непосредственного обмена данными - все данные проходят через хост.
Это условие сильно мешало внедрению интерфейса USB на рынок портативных
устройств. В результате в конце 2001 года было принято дополнение к
стандарту USB 2.0 - спецификация USB OTG (On-The-Go), предназначенная для
соединения периферийных USB-устройств друг с другом без необходимости
подключения к хосту (например, цифровая камера и фотопринтер). Устройство,
поддерживающее USB OTG, способно частично выполнять функции хоста и
распознавать, когда оно подключено к полноценному хосту (на основе ПК), а когда - к
другому периферийному устройству. Спецификация описывает также протокол
согласования выбора роли хоста при соединении двух USB OTG-устройств.
Данные на шине передаются транзакциями, интервал между которыми составляет 1 мс.
Предусмотрено четыре типа транзакций.
Управляющие передачи используются для конфигурации вновь подключенных
устройств (например, присвоения им адреса USB) и их компонентов. Устройства с
максимальной производительностью могут быть настроены на работу с
конфигурационными сообщениями длиной 8, 16, 32 или 64 байта (по умолчанию - 8
байт). Устройства с низкой производительностью в состоянии распознавать
управляющие сообщения длиной не более 8 байт.
Групповая передача (bulk) используется для адресной пересылки данных большого
объема (до 1023 байт). В качестве примера можно привести передачу данных на
принтер или от сканера. Устройства с низкой производительностью не поддерживают
этот режим.
Передача данных прерывания, например, введенных с клавиатуры данных или
сведений о перемещении мыши. Эти данные должны быть переданы достаточно быстро
для того чтобы пользователь не заметил никакой задержки. В соответствии со
спецификациями время задержки USB составляет несколько миллисекунд.
Изохронные передачи (передачи в реальном масштабе времени). Пропускная
способность и задержка доставки оговариваются до начала передачи данных. К
изохронным данным алгоритмы коррекции ошибок неприменимы (поскольку время на
повторную их ретрансляцию превышает допустимый интервал задержки). За один
сеанс в таком режиме может быть передано до 1023 байт. Устройства с низкой
производительностью не поддерживают этот режим.
Следует также отметить, что разными производителями предлагались спецификации,
описывающие интерфейс различных аппаратных реализаций контроллера USB. Фирмой
Intel была предложена спецификация UHCI (Universal Host Controller Interface), которая
предусматривает чрезвычайно простую аппаратную реализацию контроллера USB. В
рамках данной спецификации основные функции контроля и арбитража шины
возлагаются на программный драйвер. Альтернативная спецификация была
предложена компаниями Compaq, Microsoft и National Semiconductor - OHCI (Open Host
Controller Interface). Контроллеры по спецификации OHCI обладают унифицированным
абстрактным интерфейсом, предусматривающим аппаратную реализацию большинства
управляющих функций, что облегчает их программирование.
Интерфейс IEEE 1394 - FireWire
Группой компаний при активном участии Apple была разработана технология
последовательной высокоскоростной шины, предназначенной для обмена цифровой
информацией между компьютером и другими электронными устройствами. Компания
Apple продвигает этот стандарт под торговой маркой FireWire, а компания Sony - под
торговой маркой i-Link.
Интерфейс IEEE 1394 представляет собой дуплексную, последовательную, общую шину
для периферийных устройств. Она предназначена для подключения компьютеров к
таким бытовым электронным приборам, как записывающая и воспроизводящая видео- и
аудиоаппаратура, а также используется в качестве интерфейса дисковых накопителей
(таким образом, она соперничает с шиной SCSI).
Первоначальный стандарт (1394a) поддерживает скорости передачи данных 100
Мбит/с, 200 Мбит/с и 400 Мбит/с. Последующие усовершенствования стандарта (1394b)
обеспечивают поддержку скорости передачи данных 800 и 1600 Мбит/с (FireWire-800,
FireWire-1600).
Устройства, которые передают данные на разных скоростях, могут быть одновременно
подключены к кабелю (поскольку пары обменивающихся данными устройств
используют для этого одну и ту же скорость). Рекомендуемая максимальная длина
кабеля между устройствами составляет 4,5 м. К кабелю общей длиной до 72 м может
быть одновременно подключено до 63 устройств, называемых узлами (nodes). Для
увеличения числа шин вплоть до максимального значения (1023) могут быть
использованы мосты.
Каждое устройство обладает 64-разрядным адресом:



6 бит - идентификационный номер устройства на шине,
10 бит - идентификационный номер шины,
48 бит - используются для адресации памяти (каждое устройство может
адресовать до 256 Тбайт памяти).
Шина предполагает наличие корневого узла, выполняющего некоторые функции
управления. Корневой узел может быть выбран автоматически во время инициализации
шины, либо его атрибут может быть принудительно присвоен конкретному узлу (скорее
всего, ПК). Некорневые узлы являются или ветвями (если они поддерживают более чем
одно активное соединение), или листьями (если они поддерживают только одно
активное соединение).
IEEE 1394 поддерживает два режима передачи данных (каждый из которых использует
пакеты переменной длины).

Асинхронная передача используется для пересылки данных по конкретному
адресу с подтверждением приема и обнаружением ошибок. Трафик, который не
требует очень высоких скоростей передачи данных и не чувствителен ко

времени доставки, вполне подходит для данного режима (например, для
передачи некоторой управляющей информации).
Изохронная передача предполагает пересылку данных через равные промежутки
времени, причем подтверждения приема не используются. Этот режим
предназначен для пересылки оцифрованной видео- и аудиоинформации.
Пакеты данных пересылаются порциям, которые имеют размер, кратный 32 битам, и
называются квадлетами (guadlets). При этом пакеты начинаются, по меньшей мере, с
двух квадлетов заголовка, после чего следует переменное число квадлетов полезной
информации. Для заголовка и полезных данных контрольные суммы (CRC) указываются
отдельно. Длина заголовков асинхронных пакетов составляет, как минимум, 4
квадлета. У изохронных пакетов может быть заголовок длиной 2 квадлета, поскольку
единственным необходимым при этом адресом является номер канала.
IEEE 1394 выделяет следующие функции устройств:



Хозяин цикла (cycle master) - выполняется корневым узлом, имеет наивысший
приоритет доступа к шине, обеспечивает общую синхронизацию остальных
устройств на шине, а также изохронных сеансов передачи данных.
Диспетчер шины (bus manager) управляет питанием шины и выполняет
некоторые функции оптимизации.
Диспетчер изохронных ресурсов (isochronous resource manager) распределяет
временные интервалы среди узлов, собирающихся стать передатчиками
(talkers).
Все функции диспетчеризации могут выполняться одним и тем же либо различными
устройствами. Хозяин цикла посылает синхронизирующее сообщение о начале цикла
через каждые 125 мкс (как правило). Теоретически 80% цикла (100 мкс)
резервируется для изохронного трафика, а остальная часть становится доступной для
асинхронного трафика. Сначала узлы с изохронными данными для пересылки, а также
те узлы, которым был назначен номер канала, пытаются получить доступ к шине на
время передачи (сразу же после каждого сообщения о начале цикла), и узел, который
ближе всего находится к корневому узлу, первым получит разрешение на передачу
данных. Каждый последующий узел с назначенным номером канала и изохронным
трафиком для пересылки последовательно получает разрешение на передачу данных.
Затем пытаются получить доступ к шине и узлы с асинхронным трафиком.
Для подключения к данному интерфейсу применяется 6-контактный соединитель.
Используемый при этом кабель имеет круглую форму и содержит:




экранированную витую пару А (ТРА), в которой используется симметричное,
разностное напряжение (для обеспечения требуемой помехоустойчивости), а
данные передаются в обоих направлениях с помощью схемы кодирования NRZ1).
Фактически напряжение составляет 172-265 мВ;
экранированную витую пару В (ТРВ), пересылающую стробирующий сигнал,
который изменяет состояние всякий раз, когда два последовательных разряда
данных (на другой паре) одинаковы (т.н. кодирование данных со
стробированием - data-strobe encoding), и гарантирует изменение состояния в
паре для передачи данных либо стробирующих сигналов по фронту каждого
разряда;
провода, обеспечивающие питание небольших устройств. При этом по проводу
VP подается напряжение 8-40 В, обеспечивающее нагрузку до 1,5 А, а провод
VG заземлен. Впрочем, существуют варианты соединения, в котором провода
питания отсутствуют;
а также общий экран, который изолирован от экранов пар и прикреплен к
корпусам соединителей.
В IEEE 1394b допускается применять также простые UTP-кабели 5-й категории, но
только на скоростях до 100 Мбит/с. Для достижения максимальных скоростей на
максимальных расстояниях предусмотрено использование оптоволокна (пластмассового
- для длины до 50 метров, и стеклянного - для длины до 100 метров).
Исходя из принципов чтения/записи на носитель информации, дисководы бывают нескольких
типов:
использующие магнитную запись/чтение носителя:



на диски: флоппи (дисководы для дискет) и дисководы на жёстких дисках,

на ленты: стример;
дисководы, использующие для записи оптических дисков лазер (обычно
называемые оптическими приводами):
компакт-диски и их развитие — (GD-ROM, DVD, HD DVD, Blu-Ray) с носителями,
предназначенными только для записи (дописи) информации (CD-ROM, DVD-ROM и т.п) или
позволяющие перезапись (+R, -R, +RW, -RW и т.п.);
 магнитооптические, к которым относятся:
Zip дисководы и Jaz дисководы, использующие Zip- и Jaz дискеты соответственно[1].
Устройство FDD
Основные внутpенние элементы дисковода - дискетная pама,
шпиндельный двигатель, блок головок с пpиводом и плата электpоники.
Шпиндельный двигатель - плоский многополюсный, с постоянной
скоpостью вpащения 300 об/мин. Двигатель пpивода блока головок шаговый, с чеpвячной, зубчатой или ленточной пеpедачей.
Для опознания свойств дискеты на плате электpоники возле пеpеднего
тоpца дисковода установлено два механических нажимных датчика:
под отвеpстиями защиты и для опpеделения момента опускания дискеты.
Вставляемая в щель дискета попадает внутpь дискетной pамы, где с нее
сдвигается защитная штоpка, а сама pама пpи этом снимается со стопоpа
и опускается вниз - металлическое кольцо дискеты пpи этом ложится на
вал шпиндельного двигателя, а нижняя повеpхность дискеты - на
нижнюю головку (стоpона 0). Одновpеменно освобождается веpхняя
головка, котоpая под действием пpужины пpижимается к веpхней
стоpоне дискеты.
Hа большинстве дисководов скоpость опускания pамы никак не
огpаничена, из-за чего головки наносят ощутымый удаp по повеpхностям
дискеты, а это сильно сокpащает сpок их надежной pаботы. В некотоpых
моделях дисководов (Teac, Panasonic, ALPS) пpедусмотpен замедлительмикpолифт для плавного опускания pамы.
Для пpодления сpока службы дискет и головок в дисководах без
микpолифта pекомендуется пpи вставлении дискеты пpидеpживать
пальцем кнопку дисковода, не давая pаме опускаться слишком pезко.
Hа валу шпиндельного двигателя имеется кольцо с магнитным замком,
котоpый в начале вpащения двигателя плотно захватывает кольцо
дискеты, одновpеменно центpиpуя ее на валу. В большинстве моделей
дисководов
сигнал
от
датчика
опускания
дискеты
вызывает
кpатковpеменный запуск двигателя с целью ее захвата и центpиpования.
Принципы работы накопителей на жестких дисках
В накопителях на жестких дисках данные записываются и считываются универсальными
головками чтения/записи с концентрических окружностей вращающихся магнитных дисков
(дорожек), разбитых на секторы емкостью 512 байт (рис. 9.2).
В накопителях обычно устанавливается несколько дисковых пластин и данные записываются на обеих сторонах каждой
из них. В большинстве накопителей есть по меньшей мере два или три диска (что позволяет выполнять запись на
четырех или шести сторонах), но существуют также устройства, содержащие до 11 и более дисков. Однотипные
(одинаково расположенные) дорожки на всех сторонах дисков объединяются в цилиндр (рис. 9.3). Для каждой стороны
диска предусмотрена своя дорожка чтения/записи, но при этом все головки смонтированы на общем стержне, или
приводе. Поэтому головки не могут перемещаться независимо
друг от друга, т.е. двигаются только синхронно.
Жесткие диски вращаются намного быстрее, чем гибкие. Частота их вращения даже в большинстве первых моделей
составляла 3600 об/мин. Но в настоящее время современные устройства раскручивают пластины до 4200, 5400, 7200,
10000 и даже 15000 об/мин. Некоторые диски малых формфакторов с целью экономии электроэнергии раскручиваются
всего до 4200 об/мин, в то время как высокоскоростные можно встретить в основном в рабочих станциях и серверах, где
повышенная цена, а также дополнительный шум и
тепловыделение не играют решающей роли. Высокая скорость вращения в сочетании со скоростным механизмом
подачи головок и большим количеством секторов на дорожке — вот главные факторы, определяющие общую
производительность жесткого диска.
При нормальной работе жесткого диска головки чтения/записи не касаются (и не должны касаться!) дисков. Но при
выключении питания и остановке дисков они опускаются на поверхность. Во время работы устройства между головкой
и поверхностью вращающегося диска образуется очень малый воздушный зазор (воздушная подушка). Если в этот зазор
попадет пылинка или произойдет сотрясение, головка “столкнется” с диском, вращающимся “на полном ходу”. Если
удар будет достаточно сильным, произойдет поломка головки. Последствия этого могут быть разными — от потери
нескольких байтов данных до выхода из строя всего
накопителя. Поэтому в большинстве накопителей поверхности магнитных дисков легируют и
покрывают специальными смазками.
Дорожки и секторы
Дорожка — это одно “кольцо” данных на одной стороне диска. Дорожка записи на диске слишком велика, чтобы
использовать ее в качестве единицы хранения информации. Во многих накопителях ее емкость превышает 100 тыс.
байтов, и отводить такой блок для хранения небольшого файла крайне расточительно. Поэтому дорожки на диске
разбивают на нумерованные отрезки, называемые секторами.
Количество секторов может быть разным в зависимости от плотности дорожек и типа накопителя.
Нумерация секторов на дорожке начинается с единицы, в отличие от головок и цилиндров, отсчет которых ведется с
нуля. Например, дискета емкостью 1,44 Мбайт содержит 80 цилиндров, пронумерованных от 0 до 79, в дисководе
установлены две головки (с номерами 0 и 1) и каждая дорожка цилиндра разбита на 18 секторов (1–18).
При форматировании диска в начале и конце каждого сектора создаются дополнительные области для записи их
номеров, а также прочая служебная информация, благодаря которой контроллер идентифицирует начало и конец
сектора. Это позволяет отличать неформатированную и форматированную емкости диска. Стоит, однако, отметить, что
в новых дисках используется форматирование без идентификатора, т.е. не проставляются отметки начала и конца
каждого из секторов. Это позволяет использовать немного больше пространства для хранения реальных данных.
В начале каждого сектора записывается его заголовок (или префикс), по которому опреде_
ляется начало и номер сектора, а в конце — заключение (или суффикс), в котором находится
контрольная сумма, необходимая для проверки целостности данных. В вышеупомянутой сис_
теме адресации без идентификаторов начало и конец каждого из секторов определяется на
основании импульсов генератора тактовой частоты.
Основные компоненты жестких дисков
Существует множество типов накопителей на жестких дисках, но практически все они со_
стоят из одних и тех же основных узлов. Конструкции этих узлов, а также качество исполь_
зуемых материалов могут различаться, но их основные рабочие характеристики и принципы
функционирования одинаковы. Основные элементы конструкции типичного накопителя на
жестком диске (рис. 9.6) перечислены ниже:
диски;
головки чтения/записи;
механизм привода головок;
двигатель привода дисков;
печатная плата со схемами управления;
кабели и разъемы;
элементы конфигурации (перемычки и переключатели).
Диски, двигатель привода дисков, головки и механизм привода головок обычно размеща_
ются в герметичном корпусе, который называется HDA (Head Disk Assembly — блок головок
и дисков). Обычно этот блок рассматривается как единый узел; его почти никогда не вскры_
вают. Прочие узлы, не входящие в блок HDA (печатная плата, лицевая панель, элементы
конфигурации и монтажные детали), являются съемными.
Режимы работы жестких дисков
Режимы программного ввода/вывода (Programmed Input/Output) и прямого
доступа к памяти (Direct Memory Access) на винчестерах стандарта
IDE/EIDE. Программный ввод/вывод - обычный метод обмена с IDE-винчестером, когда процессор при помощи команд ввода/ вывода считывает или
записывет данные в буфер винчестера, что отнимает какую-то часть процессорного времени. Ввод/вывод путем прямого доступа к памяти идет под
управлением самого винчестера или его контроллера в паузах между обращениями процессора к памяти, что экономит процессорное время, но несколько снижает максимальную скорость обмена. В однозадачных системах
более предпочтителен режим PIO, в многозадачных - режим DMA. Однако
для реализации режима DMA необходимы специальные контроллеры и драйверы, тогда как режим PIO поддерживается всеми без исключения системами.
DMA (Direct Memory Access) – современный метод, который минует процессор и обращается
напрямую к оперативной памяти, это позволяет значительно (в несколько раз) увеличить
производительность и избавиться от надоедливых «тормозов». Режим DMA в различных
вариантах уже давно используется в операционных системах
Технология записи компакт-дисков
Компакт-диск представляет собой поликарбонатную пластину диаметром 120 мм и толщиной 1,2 мм, в центре которой
расположено отверстие диаметром 15 мм. Штампованное или литое основание пластины физически является одной
спиральной дорожкой, которая начинается на внутренней и заканчивается на внешней части диска. Шаг этой дорожки,
или разделение спирали, равен 1,6 микрона (1 микрон — миллионная часть метра или тысячная часть миллиметра). Для
сравнения: шаг физической дорожки виниловой пластинки составляет примерно 125 микрон. Компакт-диск, если
смотреть на него со стороны считывания (снизу), вращается против часовой стрелки. Если рассмотреть спиральную
дорожку под микроскопом, то станет видно, что она состоит из приподнятых участков, которые называются впадинами
(pits), и плоских поверхностей между ними, называемых площадками (lands). На первый взгляд может показаться
странным, что приподнятый участок дорожки называется впадиной. Это связано с тем, что при штамповке диска
формовка его верхней части (т.е. профиля дорожки) осуществляется таким образом, что впадины действительно
становятся углублениями, сделанными в поликарбонатной пластине.
Лазерный луч, используемый для считывания данных компакт-диска, может свободно пройти сквозь прозрачный
пластик, поэтому отформованная поверхность диска покрывается отражающей металлической пленкой (обычно
алюминиевой). После этого алюминиевая пленка покрывается тонким защитным слоем акрилового лака, на который, в
свою очередь, наносится текст или красочное изображение.
Массовое производство CD-ROM
При массовом коммерческом производстве компакт-диски изготавливаются штамповкой или прессованием. Хотя лазер
и применяется для вытравливания данных на стеклянном мастер-диске, покрытом светочувствительным материалом,
непосредственно выжигать диски при выпуске сотен или тысяч копий было бы, по меньшей мере, непрактично.
Ниже представлены основные этапы производства компакт_дисков.
1. Нанесение фоторезисторного слоя. Круглая пластина из полированного стекла диаметром 240 мм и толщиной 6 мм
покрывается слоем фоторезистора толщиной около 150 микрон, после чего обжигается при температуре 80°С (176°F) в
течение 30 минут.
2. Лазерная запись. Лазерный самописец (Laser Beam Recorder — LBR) посылает импульсы синего или фиолетового
света, которые засвечивают и размягчают определенные участки фоторезисторного слоя стеклянного мастер-диска.
3. Формирование мастер-диска. Обработанный стеклянный диск погружается в раствор гидрооксида натрия (едкого
натра), который растворяет экспонированные лазером участки, формируя тем самым впадины в фоторезисторном слое.
4. Электролитическое формование. С помощью процесса, называемого гальванопластикой, ранее подготовленный
мастер-диск покрывается слоем никелевого сплава. В результате создается металлический мастер-диск, получивший
название родительского диска (father).
5. Разделение мастер-диска. Затем металлическая матрица отделяется от стеклянного мастер-диска. Она представляет
собой металлический мастер-диск, который уже может использоваться для изготовления небольших партий дисков, так
как матрица изнашивается очень быстро. Разделение мастер-диска зачастую приводит к повреждению стеклянной
основы, поэтому методом гальванопластики создается еще несколько
негативных копий диска (которые называются материнскими). Негативные копии мастер-диска впоследствии
применяются для создания рабочей матрицы, используемой в процессе массового тиражирования компакт-дисков. Это
позволяет штамповать большое количество дисков без повторения процесса формирования стеклянного мастер-диска.
6. Штамповка диска. Металлическая рабочая матрица применяется в литейной машине для формирования принципа
отображения данных (впадин и площадок) в расплавленной поликарбонатной массе объемом около 18 граммов при
температуре 350°C (или 662°F). При этом сила давления достигает примерно 20000 фунтов на квадратный дюйм. Как
правило, в современных термических штамповочных прессах на изготовление каждого диска уходит не более трех
секунд.
7. Металлизация. Для создания отражательной поверхности на отштампованный диск посредством напыления
наносится тонкий (0,05–0,1 микрона) слой алюминия.
8. Защитное покрытие. Для защиты алюминиевой пленки от окисления на металлизированный диск с помощью
центрифуги наносится тонкий (6–7 микрон) слой акрилового лака, затвердевающего под действием ультрафиолетовых
лучей.
9. Конечный продукт. В завершение на поверхность диска методом трафаретной печати наносится текст этикетки или
какое-либо изображение, также высыхающее под действием ультрафиолетовых лучей.
Процесс изготовления дисков данных CD_ROM и музыкальных компакт_дисков практически одинаков.
Алгоритм работы накопителя CD-ROM
В основе работы накопителя CD-ROM лежит применение отраженного луча полупроводникового лазера от поверхности
диска. Отраженный свет регистрируется фотодетектором.
Процесс работы накопителя CD-ROM описан ниже (рис. 11.3).
1. Полупроводниковый лазер генерирует маломощный инфракрасный луч, который попадает на отражающее зеркало.
2. Сервопривод по командам, поступающим от встроенного микропроцессора, смещает подвижную каретку с
отражающим зеркалом к нужной дорожке на компакт-диске.
3. Отраженный от диска луч фокусируется линзой, расположенной под диском, отражается от зеркала и попадает на
разделительную призму.
4. Разделительная призма направляет отраженный луч на другую фокусирующую линзу.
5. Последняя линза направляет отраженный луч на фотодатчик, который преобразует световую энергию в
электрические импульсы.
6. Сигналы с фотодатчика декодируются встроенным микропроцессором и передаются в компьютер в виде данных.
Первые образцы накопителей CD_ROM были слишком дорогими для массового потребителя. Кроме того,
производители несколько запоздали с принятием соответствующих стандартов, что сдерживало производство CD_ROM.
Отсутствовала и база программного обеспечения, которая могла бы стимулировать рост темпов производства CD_ROM.
После снижения стоимости накопители и диски все равно не получили должного распространения в мире ПК. Это
можно объяснить небольшими размерами приложений того времени. Сейчас практически все программное обеспечение
поставляется на компакт_дисках, даже если оно занимает десятую часть диска (операционные системы и игры, как
правило, распространяются на DVD).
Впадины и площадки
Считывание информации представляет собой процесс регистрации колебаний луча маломощного лазера, отраженного
от металлической поверхности диска. Лазер посылает сфокусированный луч света на нижнюю часть диска, а
светочувствительный фоторецептор улавливает отраженный луч. Луч лазера, попавший на площадку (плоскую
поверхность дорожки), всегда отражается обратно; в свою очередь, луч, попавший во впадину на дорожке, не
отражается.
Диск вращается над лазером и приемником отраженного луча (рецептором). Лазер непрерывно излучает свет, а рецептор
воспринимает набор отраженных световых вспышек, повторяющих рисунок впадин и площадок, по которым проходит
лазерный луч. Всякий раз, когда луч лазера пересекает границы впадины, изменяется состояние отраженного сигнала.
Каждое изменение отраженного сигнала, вызванного пересечением границы впадины, преобразуется в бит со значением
1.
Микропроцессоры накопителя пересчитывают переходы “светлый/темный” и “темный/светлый” (т.е. границы впадины)
в единицы (1); область, не содержащая переходов, представляется нулем (0). Полученный набор двоичных разрядов
затем преобразуется в данные или звук. Глубина отдельных впадин, образующих дорожку компакт_диска, равна 0,125
микрона, а их ширина — 0,6 микрона. Минимальная длина впадин или площадок составляет 0,9 микрона, максимальная
— 3,3 микрона (рис. 11.2).
Высота впадины относительно плоскости площадки имеет особое значение, так как она
непосредственно связана с длиной волны луча лазера, используемого при чтении диска. Вы_
сота впадины (штриха) составляет ровно 1/4 часть длины волны лазерного луча. Таким обра_
зом, луч лазера, попавший на площадку, проходит расстояние, которое на половину длины
волны (1/4 + 1/4 = 1/2) больше расстояния, пройденного лучом, отразившимся от впадины.
Это означает, что световой луч, отраженный от впадины, на 1/2 длины волны не совпадает по
фазе со световыми лучами, отражаемыми от поверхности диска. Волны, находящиеся в про_
тивофазе, гасят одна другую, тем самым значительно уменьшая количество отражаемого све_
та. В результате впадины, несмотря на покрытие металлической отражающей пленкой, стано_
вятся “черными” (т.е. не отражающими свет).
Считывающее устройство, используемое в дисководе CD, представляет собой маломощ_
ный лазер с длиной волны 780 нм (нанометров) и мощностью около 1 мВт (милливатт). По_
ликарбонатная пластмасса, используемая при изготовлении компакт_дисков, имеет коэффи_
циент преломления 1,55. Таким образом, свет проходит через пластмассу диска в 1,55 раза
медленнее, чем через окружающую среду. Так как частота света остается постоянной, это
приводит к сокращению длины волны в пределах диска с тем же коэффициентом. Следова_
тельно, длина волны, равная 780 нм, уменьшается до 500 нм (780/1,55 = 500 нм). Одна четвер_
тая часть от 500 нм равна 125 нм, или 0,125 микрона, что составляет высоту впадины
(штриха).
Технология и производство DVD
Технология цифровых универсальных дисков (DVD) очень похожа на технологию ком_
пакт_дисков. В обеих используются штампованные поликарбонатные диски одного и того же
размера (наружный диаметр — 120 мм, диаметр центрального отверстия — 15 мм, толщина —
1,2 мм) со спиральными дорожками, состоящими из впадин и площадок. В отличие от обыч_
ных компакт_дисков, DVD могут иметь два слоя записи на каждой стороне и быть одно_ или
двусторонними. Каждый слой диска штампуется отдельно, после чего они объединяются, об_
разуя в итоге диск толщиной 1,2 мм. Технологические процессы изготовления обоих типов
дисков практически не различаются, помимо того что слои и стороны DVD штампуются из
отдельных поликарбонатных заготовок, которые затем соединяются одна с другой, формируя
законченный диск. Основным отличием стандартных компакт_дисков от DVD является более
высокая плотность записи данных последних, которые считываются лазером с более корот_
кой длиной волны. Как уже отмечалось, компакт_диски являются односторонними и имеют
только один слой записи. В отличие от них DVD могут быть двусторонними и иметь два слоя
записи на каждой стороне.
По аналогии с компакт_дисками каждый слой DVD содержит одну физическую дорожку,
которая начинается на внутренней части диска и доходит по спирали к внешней части. Циф_
ровой универсальный диск, если смотреть на него со стороны считывания (снизу), вращается
против часовой стрелки. Спиральные дорожки, как и на компакт_дисках, образованы впади_
нами (штрихами) и площадками (плоскими участками). Каждый записанный слой покрыва_
ется тонкой металлической пленкой, отражающей лазерный луч. Благодаря тому что внеш_
ний слой имеет более тонкое покрытие, луч проходит через него и считывает данные, которые
записаны на внутреннем слое. Этикетка обычно располагается на верхней части односторон_
него диска; на двустороннем диске для этого отводится узкая кольцевая поверхность в цен_
тральной части.
Считывание информации представляет собой процесс регистрации колебаний луча мало_
мощного лазера, отраженного от металлического слоя диска. Лазер посылает сфокусирован_
ный луч света на нижнюю часть диска, а светочувствительный рецептор улавливает уже от_
раженный луч. Луч лазера, попавший на площадку (плоскую поверхность дорожки), отража_
ется обратно; в свою очередь, луч, попавший во впадину на дорожке, обратно не отражается.
Глубина отдельных впадин, образующих дорожку компакт_диска, равна 0,105 микрона, а
ширина — 0,4 микрона. Минимальная длина впадин или площадок составляет примерно 0,4
микрона, максимальная — 1,9 микрона (на однослойных дисках).
Для получения дополнительной информации о способах считывания штрихов и их пре_
образования в цифровые данные, а также о принципах работы накопителей, обратитесь к раз_
делу о технологии производства дисков CD, приведенному ранее.
Для увеличения емкости DVD по сравнению с CD были применены следующие новшества:
длина штриха уменьшена примерно в 2,25 раза (от 0,9 до 0,4 микрона);
расстояние между дорожками уменьшено примерно в 2,16 раза (от 1,6 до 0,74 микрона);
область данных увеличена примерно в 1,02 раза (от 8,605 до 8,759 мм2);
введена более эффективная (примерно в 1,06 раза) модуляция;
эффективность кода коррекции ошибок повышена примерно в 1,32 раза;
секторы уменьшены примерно в 1,06 раза (от 2048/2352 до 2048/2064 байт).
Благодаря уменьшению размера площадок и впадин единица поверхности DVD может со_
хранять больше данных по сравнению с компакт_диском. Сравнение структуры DVD и ком_
пакт_дисков представлено на рис. 11.6.
В накопителе DVD используется лазер с меньшей длиной волны, что позволяет считывать
более короткие штрихи. Для удвоения объема данных в накопителе DVD можно использо_
вать две стороны диска и, кроме того, записывать данные на два отдельных слоя каждой из сторон. Второй слой данных
записывается на отдельной площадке, расположенной под пер_
вой, которая сделана полупрозрачной для того, чтобы луч лазера мог проникать на первый
слой. Фокусируя лазер на любом из двух слоев, привод может считать ровно вдвое больше
информации с одной и той же поверхности.
Стандарты на логическую структуру CD-ROM.
ISO 9660
Наиболее распространенный международный стандарт логического форматирования файлов и
директорий на CD-ROM. ISO 9660 мультиплатформенный стандарт дисков, поддерживающийся
как IBM-, так и Macintosh-совместимыми компьютерными системами. Стандарт ISO 9660
поддерживают множество операционных систем: DOS, Windows 95, Windows NT и UNIX. ISO 9660
принят международной организацией по стандартизации в 1984 году
Level I ISO 9660 — аналог файловой системы МС-DOS: имена файлов состоят из восьми
символов, точки и трехсимвольного расширения; не могут содержать специальных символов
(дефисов, тильд, знаков равенства или плюсов) - допускаются только символы одного регистра,
цифры и знак подчеркивания. Названия каталогов (директорий, папок, фолдеров) не могут иметь
расширений - лишь восемь однорегистровых символов. Все буквы записываются в ВЕРХНЕМ
регистре (некоторые программы отображают их в нижнем регистре). Имя файла или расширение
может быть пустымы, но не оба одновременно ("F.", как и ".E" — синтаксически правильные
имена).Существует т.н. "Номер версии файла" ("File Version Number") - число в диапазоне от 1 до
32767, записываемое после расширения. Номер версии файла во многих системах игнорируется.
Допускается создание подкаталогов до восьми уровней вложенности.
Level II ISO-9660 допускает более длинные (до 32 символов) имена файлов, но сохраняет многие
другие ограничения.Диски, записанные в стандарте Level II ISO-9660 не могут использоваться в
некоторых операционных системах, например MS-DOS.
Данный стандарт не поддерживает добавленние данных на носитель небольшими порциями,
поскольку каждая сессия должна занимать 13Мб минимум, а количество дорожек на носителе
ограничено 99. Эти проблемы решены в формате UDF (Universal Disk Format), ISO 13346
UDF
UDF (Universal Disk Format — универсальный формат диска) — новая файловая система на CD, с
поддержкой для текущего поколения компакт-дисков типа CD-RW, и DVD-ROM. Стандартные CDROM обычно форматируются, используя ISO 9660. Большинство компьютерных систем может
читать ISO 9660 CD-ROM и CD-R диски, так как имеют встроенную поддержку ISO 9660. Однако,
ISO 9660 имеет некоторые ограничения, которые делают несовместимым его с DVD, CD-RW и
другими новыми форматами дисков. UDF разработан так, чтобы избавить от этих ограничений.
UDF позволяет дозаписывать файлы на CD-R или CD-RW дисках, один файл одновременно, без
существенных потерь дискового пространства, используя метод, пакетной записи. Также, UDF
учитывает фозможность выборочного стирания некоторых файлов на перезаписываемых
носителях CD-RW, освобождая место на диске. В стандарте ISO 9660 такое не предусмотрено.
UDF также лучше подходит для DVD, так как имеет лучшую поддержку для дисков большого
объема.
Видеоадаптеры
Система отображения компьютера состоит из двух главных компонентов.
Монитор (дисплей) обычно представляет собой жидкокристаллический экран или переднюю панель
электронно_лучевой трубки, но может быть и широкоформатным телевизором, плазменной панелью и проектором,
использующими технологии LCD и DLP.
Видеоадаптер (графический адаптер или видеокарта) в большинстве систем представляет собой карту
расширения, вставляемую в один из разъемов материнской платы. В некоторых системах он интегрирован в саму
системную плату или в ее набор микросхем системной логики, однако и такие компьютеры можно дополнить
обособленным и более производительным видеоадаптером AGP, PCI или PCI_Express.
Компьютерный монитор обычно базируется на одной из двух основных технологий: жидкокристаллический дисплей
LCD (Liquid Crystal Display) или электронно_лучевая трубка CRT (Cathode_Ray Tube). Проекторы базируются на
технологии LCD или DLP (Digital Light Processing — цифровая обработка света).
Жидкокристаллические мониторы
Жидкокристаллические (ЖК, LCD) мониторы благодаря своему малому весу, размерам и цветопередаче в настоящее
время практически вытеснили с рынка мониторы на электроннолучевой трубке (ЭЛТ, CRT). Настольные
LCD_мониторы во многом похожи на экраны ноутбуков. По сравнению с классическими ЭЛТ_мониторами у них есть
целый ряд преимуществ: плоский экран без бликов и очень низкий уровень энергопотребления (5 Вт по сравнению
со100 Вт, характерными для обычного ЭЛТ_монитора). По цветопередаче жидкокристаллические мониторы уже
приблизились (если не превзошли) к ЭЛТ_мониторам (правда, при этом нельзя забывать об ограничениях, связанных с
углом обзора).
Как работает жидкокристаллический монитор
В жидкокристаллическом экране поляризационный светофильтр создает две раздельные световые волны и пропускает
только ту, плоскость поляризации которой параллельна его оси. Располагая в жидкокристаллическом мониторе второй
светофильтр так, чтобы его ось была перпендикулярна оси первого, можно полностью предотвратить прохождение света
(экран будет темным). Вращая ось поляризации второго фильтра, т.е. изменяя угол между осями светофильтров, можно
изменить количество пропускаемой световой энергии, а значит, и яркость экрана.
В цветном жидкокристаллическом экране есть еще один дополнительный светофильтр, который имеет три ячейки на
каждый пиксель изображения — по одной для отображения красной, зеленой и синей точек. Красная, зеленая и синяя
ячейки, формирующие пиксель, иногда называются субпикселями.
‘‘Зависшие’’ пиксели
Так называемый “зависший” пиксель — это пиксель, красная, зеленая или синяя ячейка которого постоянно включена
или выключена. Постоянно включенные ячейки очень хорошо видны на темном заднем фоне как ярко_красные, зеленые
или синие точки. Хотя даже пара точек может помешать работе, гарантийные обязательства производителей
относительно количества “зависших” пикселей, необходимого для замены монитора, серьезно отличаются.
Некоторые производители обращают внимание как на количество таких пикселей, так и на их расположение. К счастью,
в ходе постоянного усовершенствования технологии производства вероятность появления “зависших” пикселей на
настольном жидкокристаллическом экране или дисплее ноутбука снижается.
Хотя не существует универсального способа исправления таких пикселей, можно посоветовать пару нехитрых приемов.
Некоторые испорченные пиксели можно исправить, если слегка нажать пальцем на область экрана, где они
расположены. Это часто срабатывает, особенно если ячейка постоянно включена, а не погашена. Пусть уж лучше
“зависший” пиксель будет темным, чем ярко светящимся, что немало раздражает пользователя. Более точно можно
выполнить эту операцию, используя перо планшета. Иногда удается избавиться от “мертвых” пикселей, тщательно
протерев область, где они расположены.
Еще один метод предполагает использование специального программного обеспечения, которое очень быстро
переключает цвета “зависших” пикселей (а также пикселей, находящихся рядом с ними).
Жидкокристаллические экраны с активной матрицей
В большинстве жидкокристаллических мониторов используются тонкопленочные транзисторы (TFT). В каждом
пикселе есть один монохромный или три цветных (RGB) транзистора, упакованных в гибком материале, имеющем
точно такие же размер и форму, что и сам дисплей. Таким образом, транзисторы каждого пикселя расположены
непосредственно за жидкокристаллическими ячейками, которыми они управляют.
В настоящее время для производства дисплеев с активной матрицей используется два материала: гидрогенизированный
аморфный кремний (a_Si) и низкотемпературный поликристаллический кремний (p_Si). В принципе, основная разница
между ними заключается в себестоимости производства. Изначально TFT_мониторы выпускались с помощью процесса
a_Si, так как для него требуется более низкий температурный режим (менее 400°С), чем для p_Si. Сейчас
низкотемпературный процесс p_Si является полноценной альтернативой a_Si с достаточно приемлемой ценой.
Для увеличения горизонтального угла обзора жидкокристаллических дисплеев некоторые производители
модифицировали классическую технологию TFT. Например, технология плоскостного переключения (In_Plane Switching
— IPS), также известная как STFT, подразумевает параллельное выравнивание жидкокристаллических ячеек
относительно стекла экрана, подачу электрического напряжения на плоскостные стороны ячеек и поворот пикселей для
четкого и равномерного вывода изображения на всю панель. Суть еще одного новшества компании Hitachi —
технологии Super_IPS — заключается в перестраивании жидкокристаллических молекул в соответствии с
зигзагообразной схемой, а не по строкам и столбцам, что позволяет уменьшить нежелательное цветовое смешение и
улучшить равномерное распределение цветовой гаммы на экране. В аналогичной технологии мультидоменного
вертикального выравнивания (MVA) компании Fujitsu экран монитора подразделяется на отдельные области, для
каждой из которых изменяется угол ориентации.
Как Super_IPS, так и MVA предназначены для улучшения видимого угла обзора традиционного TFT_экрана. В
различных компаниях эта технология называется по_разному. Например, в компании Sharp она называется
ультравысокой апертурой (UHA). Производители часто придумывают собственные специальные термины, пытаясь
таким образом выделить свою продукцию на фоне товаров конкурентов. Поскольку в больших жидкокристаллических
экранах (17'' и больше) угол обзора играет немаловажную роль даже для отдельного пользователя, эти технологии
используются в больших и дорогих панелях, а также лицензированы
другими производителями жидкокристаллических дисплеев. Следует заметить, что в недорогих ЖК_мониторах
используются структура с полной переориентацией (STN) и управление частотой кадров, позволяющее эмулировать
24_разрядный цвет.
Интерфейсы DFP и DVI для подключения цифровых
жидкокристаллических мониторов
Как уже отмечалось в этой главе, жидкокристаллические мониторы используют цифровые сигналы. Чтобы избежать
преобразования аналоговых сигналов от традиционного видеоадаптера VGA в цифровую форму, были разработаны два
стандарта, касающиеся работы цифровых ЖК_мониторов, которые позволяли передавать данные от видеоадаптера к
монитору исключительно в цифровом виде.
Digital Flat Panel (DFP), принятый Ассоциацией по стандартам в области видеоэлектроники (VESA) в феврале 1999
года. Стандарт DFP ранее был известен как PanelLink. В настоящее время он практически вытеснен интерфейсом DVI.
Digital Visual Interface (DVI), принятый рабочей группой DDWG в апреле 1999 года. Он более популярен среди
производителей аппаратного обеспечения и, по сути, является промышленным стандартом. Им оснащены все
видеоадаптеры среднего и высокого уровней, включая модели, поддерживающие два монитора. Стандарт DVI_D
известен как DVI HDCP. Этот порт используется во многих жидкокристаллических и плазменных телевизорах.
Разъемы DFP и DVI применяются в некоторых графических платах и цифровых жидкокристаллических мониторах, а
также стандартные разъемы VGA, используемые в традиционных видеоадаптерах, мониторах с электронно_лучевой
трубкой и аналого_совместимых жидкокристаллических мониторах.
Интерфейс HDMI
Мультимедийный интерфейс высокой четкости (High Definition Multimedia Interface — HDMI) был разработан группой
компаний Hitachi, Panasonic, Philips, Silicon Image, Sony, Thompson и Toshiba для объединенного переноса звукового и
видеосигналов по одному кабелю между разными аппаратными устройствами, такими как телевизоры, проигрыватели
DVD, игровые приставки, цифровые усилители и домашние кинотеатры. Версия 1.0 этого стандарта была представлена
в декабре 2002 года, а последняя версия 1.3 — в июне 2006 года.
Текущая версия интерфейса HDMI способна передавать 8_канальный 24_разрядный (192 кГц) цифровой аудиосигнал
форматов Dolby Digital, DTS, Dolby TrueHD и DTS_HD Master Audio. HDMI 1.3 обеспечивает пропускную способность
видеосигнала в 10,2 Гбит/с (эквивалент 340 МГц), что позволяет поддерживать миллиарды цветов и разрешение,
выходящее за пределы WQXGA (25601600), а также, среди прочего, синхронизацию HDTV. Высокая пропускная
способность в отношении видеосигнала может быть использована в нескольких целях: для повышения четкости
изображения, для поддержки более глубоких цветов, а также более высоких разрешений.
Так как для аудио и видеосигналов используется всего один кабель, интерфейс HDMI способен разгрузить кабельную
паутину, связывающую различные системы в домашнем кинотеатре. Тем владельцам домашних кинотеатров, которые
подписаны на кабельные или спутниковые службы телевидения высокой четкости (HDTV), интерфейс HDMI подойдет
лучше всего, поскольку он обеспечивает высокую защищенность цифрового содержимого потока (HDCP), которую
используют данные службы для исключения пиратских подключений. Во избежание ухудшения качества защищенного
содержимого все устройства, включая
проигрыватели DVD, аудиосистемы, ресиверы и мониторы, должны поддерживать HDCP.
В дополнение к передаче высококачественного аудио и видео между устройствами интерфейс HDMI поддерживает
дополнительные сигналы. Он использует канал данных монитора (DDC) для идентификации таких возможностей
дисплея, как разрешение, глубина цветности и поддержка звука. Канал DDC гарантирует оптимальное качество
воспроизведения на раз_
личных типах устройств. Также HDMI поддерживает дополнительную функцию электронного управления (CEC),
которая обеспечивает управление с помощью одной кнопки всеми CEC_совместимыми устройствами (например, запуск
с помощью одной кнопки воспроизведения или записи).
Интерфейс HDMI обратно совместим с DVI_I и DVI_D, которые в настоящее время имеют все видеокарты среднего и
высокого классов, что позволяет ПК выступать в роли источника HDTV. Это особенно ценно для пользователей
программы Media Center, входящей в поставку отдельных редакций Windows XP и Vista, а также других
мультимедийных программ.
Однако, если видеокарта не поддерживает HDCP, вы не сможете воспроизводить поток телевидения высокой четкости
(HDTV) на компьютере (а если и сможете, то разрешение сильно понизится). Несмотря на то что в характеристиках
некоторых видеоадаптеров, выпущенных с начала 2006 года, заявлена поддержка HDCP, изменения в данном стандарте
могут не позволить этим адаптерам работать корректно. Чтобы проверить совместимость своей видеокарты или набора
микросхем с текущим стандартом HDCP, лучше связаться с производителем.
Текущая версия кабелей HDMI имеет два типа: A и С. Кабель типа А имеет 19_контактный разъем. Разъем типа С
представляет собой уменьшенную версию разъема типа А и предназначен для использования с видеокамерами и
прочими портативными устройствами. В стандарте HDMI версии 1.0 был определен и 29_контактный разъем типа B,
однако он так и не нашел свой путь в производство.
Разъем DVI_I (см. рис. 13.2) может быть “преобразован” в порт VGA, к которому можно под_
ключить ЭЛТ_монитор или жидкокристаллический монитор с аналоговым портом, для чего
Как работает электронно-лучевой монитор
Информация на мониторе может отображаться несколькими способами. Самый распространенный — отображение на
экране электронно_лучевой трубки (ЭЛТ), такой же, как в телевизоре. ЭЛТ представляет собой электронный вакуумный
прибор в стеклянной колбе, в горловине которого находится электронная пушка, а на дне — экран, покрытый
люминофором.
Нагреваясь, электронная пушка испускает поток электронов, которые с большой скоростью устремляются к экрану.
Поток электронов (электронный луч) проходит через фокусирующую и отклоняющую катушки, которые направляют его
в определенную точку покрытого люминофором экрана. Под воздействием ударов электронов люминофор излучает
свет, который видит пользователь, сидящий перед экраном компьютера. В электронно_лучевых мониторах
используются три слоя люминофора: красный, зеленый и синий. Для выравниванипотоков электронов применяется так
называемая теневая маска — металлическая пластина,
имеющая щели или отверстия, которые разделяют красный, зеленый и синий люминофор на группы по три точки
каждого цвета. Качество изображения определяется типом используемой теневой маски; на резкость изображения
влияет расстояние между группами люминофора (шаг расположения точек).
Химическое вещество, используемое в качестве люминофора, характеризуется временем послесвечения, которое
отражает длительность свечения люминофора после воздействия электронного пучка. Время послесвечения и частота
обновления изображения должны соответствовать друг другу, чтобы не было заметно мерцание изображения (если
время послесвечения очень мало) и отсутствовали размытость и удвоение контуров в результате наложения
последовательных кадров (если время послесвечения слишком велико).
Электронный луч движется очень быстро, прочерчивая экран строками слева направо и сверху вниз по траектории,
именуемой растром. Период сканирования по горизонтали определяется скоростью перемещения луча поперек экрана.
В процессе развертки (перемещения по экрану) луч воздействует на те элементарные участки люминофорного
покрытия экрана, где должно появиться изображение. Интенсивность луча постоянно меняется, в результате чего
изменяется яркость свечения соответствующих участков экрана. Поскольку свечение исчезает очень быстро,
электронный луч должен вновь и вновь пробегать по экрану, возобновляя его. Этот процесс называется регенерацией
изображения.
В большинстве мониторов частота регенерации, которую также называют частотой вертикальной развертки, во многих
режимах приблизительно равна 85 Гц, т.е. изображение на экране обновляется 85 раз в секунду. Снижение частоты
регенерации приводит к мерцанию изображения, что очень утомляет глаза. Следовательно, чем выше частота
регенерации, тем комфортнее себя чувствует пользователь. В некоторых дешевых мониторах частота регенерации без
мерцания (72 Гц и выше) возможна только при разрешениях 600480 и 800600; следует подбирать монитор,
поддерживающий достаточную частоту регенерации при разрешении 1024768 и выше.
Видеоадаптеры
Видеоадаптер обеспечивает интерфейс между компьютером и монитором, передавая сигналы, которые превращаются в
изображение, которое мы видим на экране. На протяжении всей истории ПК было разработано несколько удачных
стандартов, каждый последующий из которых обеспечивал более высокие разрешение и глубину цвета. Наиболее
значимые стандарты видеоадаптеров перечислены ниже.
MDA (Monochrome Display Adapter)
HGC (Hercules Graphics Card)
CGA (Color Graphics Adapter)
EGA (Enhanced Graphics Adapter)
VGA (Video Graphics Array)
SVGA (Super VGA)
XGA (eXtended Graphics Array)
UGA (Ultra Video Graphics Array)
Большинство этих стандартов были изначально разработаны компанией IBM и затем лицензированы другими
производителями. В настоящее время IBM уступила пальму первенства в производстве высококачественных мониторов
другим компаниям, а большая часть приведенных стандартов безнадежно устарела. Единственным исключением
является VGA; этой аббревиатурой обозначают базовые возможности монитора, используемые практически любым
видеоадаптером.
Адаптер VGA
В апреле 1987 года, одновременно с выпуском компьютеров семейства PS/2, компания IBM ввела в действие
спецификацию VGA (Video Graphics Array), которая вскоре стала общепризнанным стандартом систем отображения
компьютеров. Все современные видеоадаптеры оснащены 15_контактным аналоговым разъемом VGA и/или же
аналогово_цифровым разъемом DVI, которые соответствуют стандарту VGA. Схема
разъема VGA представлена на рис. 13.16, а назначение контактов — в табл. 13.12.
В разъеме VGA, подключаемом к видеоадаптеру, зачастую отсутствуют 9_й контакт, 5_й контакт, используемый для
тестирования, и 15_й контакт, применяемый еще реже. Для идентификации типа монитора, подключенного к системе,
некоторые производители используют различные комбинации контактов.
Типы видеоадаптеров
Для любого монитора необходим источник сигнала. Сигналы поступают в монитор от видеоадаптера, установленного в
компьютере.
Существует три способа подключения к системному блоку ЭЛТ_ или жидкокристаллических мониторов.
Платы расширения. В данном случае предполагается использование отдельных плат расширения с интерфейсом
PCI_Express, AGP или PCI. При этом обеспечивается наивысшее быстродействие, большой объем памяти, а также
поддержка наибольшего количества функций.
Графический процессор, интегрированный на системной плате. Быстродействие чаще всего оказывается ниже,
чем при использовании плат расширения, преимущественно по причине использования устаревших решений. Хотя
подобные решения часто поддерживались системными платами LPX, в современных системах они практически не
используются. Даже ноутбуки средней и высшей ценовых категорий оснащены дискретными графическими адаптерами.
Набор микросхем с интегрированным графическим ядром. Это наиболее доступные по цене решения, однако их
быстродействие очень низко, особенно при запуске трехмерных игр и других приложений, интенсивно использующих
графику. При этом также обеспечиваются меньшие значения разрешения и частот обновления, чем при использовании
плат расширения. Наиболее часто интегрированные наборы микросхем
реализованы в бюджетных моделях ноутбуков, а также в некоторых их моделях среднего ценового диапазона.
Компоненты видеосистемы
Для работы видеоадаптера необходимы следующие основные компоненты:
видео_BIOS;
графический процессор, иногда называемый графическим акселератором;
видеопамять;
цифроаналоговый преобразователь DAC (ранее используемый в качестве отдельной микросхемы, DAC зачастую
встраивается в графический процессор новых наборов микросхем; необходимость в подобном преобразователе в
полностью цифровых системах — цифровая видеокарта плюс цифровой монитор — отпадает, однако, пока живы
аналоговый интерфейс VGA и аналоговые мониторы, DAC еще некоторое время будет использоваться);
разъем;
видеодрайвер.
Один из самых производительных видеоадаптеров показан на рис. 13.18. Большинство его компонентов скрыто под
кожухом системы охлаждения графического процессора (GPU), включающей в себя вентилятор и теплоотвод.
Практически все видеоадаптеры, представленные сегодня на рынке, используют наборы микросхем, обеспечивающие
ускоренную обработку трехмерной графики.
BIOS видеоадаптера
Видеоадаптеры имеют свою BIOS, которая подобна системной BIOS, но полностью независима от нее. (Другие
устройства в компьютере, такие как адаптеры SCSI, также могут иметь собственную систему BIOS.) Если вы включите
монитор первым и сразу же посмотрите на экран, то увидите опознавательный знак BIOS видеоадаптера в самом начале
запуска системы.
Хранится BIOS видеоадаптера, подобно системной BIOS, в микросхеме ПЗУ; она содержит основные команды, которые
предоставляют интерфейс между оборудованием видеоадаптера и программным обеспечением. Программа, которая
обращается к функциям BIOS видеоадаптера, может быть автономным приложением, операционной системой или
системной BIOS. Обращение к функциям BIOS позволяет вывести информацию о мониторе во время выполнения
процедуры POST и начать загрузку системы до загрузки с диска любых других программных драйверов.
Графический процессор
Графический процессор, или набор микросхем, является “сердцем” любой видеокарты и характеризует быстродействие
адаптера и его функциональные возможности. Два видеоадаптера различных производителей с одинаковыми
процессорами зачастую демонстрируют схожую производительность и функции обработки графических данных. Кроме
того, программные драйверы, с помощью которых операционные системы и приложения управляют видеоадаптером,
как правило, разрабатываются именно с учетом параметров конкретного набора микросхем. Зачастую драйвер,
предназначенный для видеоадаптера с определенным набором микросхем, можно использовать с другим адаптером, в
котором есть тот же набор микросхем.
Безусловно, разница в быстродействии видеоадаптеров с одинаковыми графическими процессорами зависит от типа и
объема установленной видеопамяти.
Видеопамять
Большинство видеоадаптеров для хранения изображений при их обработке обходятся собственной видеопамятью; хотя
некоторые видеокарты AGP используют системную оперативную память для хранения трехмерных текстур, эта
функция редко находит применение. В основном современные графические адаптеры оснащены собственной
видеопамятью объемом от 256 Мбайт и подключены к системе через порт AGP или интерфейс PCI Express x16. Во
многих малобюджетных системах встроенные графические системы используют оперативную память компьютера
посредством унифицированной архитектуры UMA. В любом случае с помощью как собственной, так и заимствованной
видеопамяти выполняются одни и те же операции.
От объема видеопамяти зависят максимальная разрешающая способность экрана и глубина цвета, поддерживаемая
адаптером. На рынке в настоящее время предлагаются модели с различными объемами видеопамяти: 128, 256 или 512
Мбайт. Хотя больший объем видеопамяти не сказывается на скорости обработки графических данных, при
использовании расширенной шины данных (64–128 бит) или системной оперативной памяти для кэширования часто
отображаемых объектов скорость видеоадаптера может существенно увеличиться. Кроме того, объем видеопамяти
позволяет видеоадаптеру отображать больше цветов и поддерживать более высокое разрешение, а также хранить и
обрабатывать трехмерные текстуры в видеопамяти адаптера AGP, а не в ОЗУ системы.
Видеодрайвер
Программный драйвер — важный и часто проблематичный элемент видеосистемы, с помощью которого осуществляется
связь программного обеспечения с видеоадаптером. Видеоадаптер может быть оснащен самым быстрым процессором и
наиболее эффективной памятью, но плохой драйвер способен свести на нет все эти преимущества.
Видеодрайверы используются для поддержки процессора видеоадаптера. Несмотря на то что видеоадаптеры
поставляются изготовителем вместе с драйверами, часто используются драйверы, поставляемые с набором микросхем
системной логики. Все зависит от того, какой из драйверов обеспечивает большую производительность и создает
меньше проблем.
Интерфейс прикладного программирования
Благодаря интерфейсу прикладного программирования (API) разработчикам аппаратного и программного обеспечения
предоставляются средства создания драйверов и программ, работающих быстрее на большом количестве платформ.
Программные драйверы разрабатываются для взаимодействия непосредственно с API, а не с операционной системой и
программным обеспечением.
В настоящее время ведущими игровыми интерфейсами API являются OpenGL, разработанный компанией SGI, а также
Direct3D, разработанный компанией Microsoft как часть DirectX. Все современные видеоадаптеры поддерживают как
OpenGL, так и Direct3D.
OpenGL
Последняя версия данного интерфейса API, OpenGL 2.1, была выпущена 2 сентября 2006 года. Она содержит язык
поддержки обработки полутонов OpenGL версии 1.2, программируемые вершинные и фрагментарные шейдеры,
множественную обработку полутонов, поддержку не квадратных матриц, текстуры sRGB и не кратные степени двойки,
точечные спрайты и раздельные шаблоны для лицевой и тыльной сторон графических примитивов.
OpenGL всегда был популярным интерфейсом в играх, однако широко применяется и в производственной сфере, в том
числе в картографии. Системы Windows XP и Vista могут поддерживать OpenGL как на программном уровне, так и
посредством графических акселераторов. Для обеспечения в конкретном адаптере поддержки OpenGL изготовитель
должен включить в его поставку устанавливаемый клиентский драйвер (ICD). Таким образом, обновление драйвера
поможет повысить производительность как Direct3D, так и OpenGL.
Microsoft DirectX 9.0c и 10
Direct3D — это составная часть разработанного компанией мультимедийного API DirectX. Хотя последние версии
DirectX (9.0с и 10) поддерживали поверхности высокого порядка (при этом трехмерные поверхности представлялись
кривыми), вершинные и пиксельные шейдеры, реализация данных функций в DirectX разных версий кардинально
отличается.
В DirectX 9.0c, как в версиях 8.0, 8.1 и 9.0, при формировании трехмерных объектов используются раздельные
вершинные и пиксельные шейдеры. Несмотря на то что в DirectX 9.0c повышена точность обработки данных,
поддерживается больше инструкций, текстур и регистров, чем в предшествующих версиях, раздельное использование
шейдеров замедляет обработку объемных объектов, когда количество отображаемых пикселей превышает количество
шейдеров и наоборот. Шейдерная модель версии 3.0, используемая в DirectX 9.0c, является всего лишь развитием
первой модели, использованной еще в 2001 году в DirectX 8.0. В ней только увеличено количество инструкций и
повышена точность. Версия DirectX 10, созданная специально для Windows Vista, основана на совершенно другом ядре с
новой архитектурой шейдеров Shader Model 4. В ней к вершинному и пиксельному шейдерам добавлен геометрический
для повышения реалистичности таких динамических событий, как взрыв. Однако наибольшее изменение в данной
модели — это возможность оперативного переключения между операциями вершинного, геометрического и
пиксельного шейдеров, позволяющего избежать узких мест в обработке любых трехмерных сцен и повысить общую
производительность.