Классификация периферийных устройств

Классификация периферийных устройств
Периферийное устройство (ПУ) - устройство, входящее в состав внешнего оборудования
микро-ЭВМ, обеспечивающее ввод/вывод данных, организацию промежуточного и
длительного хранения данных.
Можно выделить 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, ЖК-планшеты 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).
Устройства ввода
Клавиатура
Основным устройством ввода информации в компьютер является клавиатура, которая
представляет собой совокупность механических датчиков, воспринимающих давление на
клавиши и замыкающих тем или иным образом определенную электрическую цепь. В
настоящее время распространены два типа клавиатур: с механическими или с мембранными
переключателями. В первом случае датчик представляет собой традиционный механизм с
контактами из специального сплава. Во втором случае переключатель состоит из двух
мембран: верхней - активной, нижней - пассивной, разделенных третьей мембранойпрокладкой.
Как правило, внутри корпуса любой клавиатуры, кроме датчиков клавиш, расположены
электронные схемы дешифрации и микроконтроллер. Обмен информации между
клавиатурой и системной платой осуществляется по специальному последовательному
интерфейсу 11-битовыми блоками. Основной принцип работы клавиатуры заключается в
сканировании переключателей клавиш. Замыканию и размыканию любого из этих
переключателей соответствует уникальный цифровой код - скан-код. В случае, когда
клавиша отпускается, клавиатура IBM PC AT предваряет скан-код кодом F016. Когда
контроллер клавиатуры фиксирует нажатие или отпускание клавиши, он инициирует
аппаратное прерывание IRQ1. Если в клавиатурах компьютеров типа IBM PC XT передача
данных может осуществляться только в одном направлении, то в клавиатурах типа IBM PC
AT подобная связь возможна уже в двух направлениях, т. е. клавиатура может принимать
специальные команды (установки параметров задержки автоповтора и частоты автоповтора).
Подключение клавиатуры к системной плате выполняется посредством электрически
идентичных разъемов 5 DIN5) или 6 mini-DIN, последний впервые был представлен в IBM
PS/2, откуда и унаследовал свое "жаргонное" название. Для обеспечения двунаправленного
обмена используется единственная линия данных, требующая, однако, выводов с открытым
коллектором.
Мышь
Первую компьютерную мышь создал Дуглас Энджельбарт в 1963 году в Стэндфордском
исследовательском центре. Распространение мыши получили благодаря росту популярности
1
программных систем с графическим интерфейсом пользователя. Мышь делает удобным
манипулирование такими широко распространенными в графических пакетах объектами, как
окна, меню, кнопки, пиктограммы и т.д.
Первая мышь при движении вращала два колеса, которые были связаны с осями переменных
резисторов. Перемещение курсора такой мыши вызывалось изменением сопротивления
переменных резисторов. Большинство современных мышей имеют оптико-механическую
конструкцию (рис. 16.1). С поверхностью, по которой перемещают мышь, соприкасается
тяжелый обрезиненный шарик сравнительно большого диаметра. При перемещении мыши
этот шарик может вращать прижатые к нему два перпендикулярных ролика. Ось вращения
одного из роликов вертикальна, а другого - горизонтальна. На оси роликов установлены
датчики, представляющие собой диски с прорезями, по разные стороны которых
располагаются оптопары "светодиод-фотодиод". Порядок, в котором освещаются
фоточувствительные элементы одной оси, определяет направление перемещения мыши, а
частота приходящих от них импульсов - скорость.
Рис. 16.1. Устройство оптико-механической мыши
Другой популярной конструкцией мыши является полностью оптическая конструкция. С
помощью светодиода и системы линз, фокусирующих его свет, под мышью подсвечивается
участок поверхности. Отраженный от этой поверхности свет, в свою очередь, собирается
другой линзой и попадает на приемный сенсор микросхемы процессора обработки
изображений. Этот чип делает снимки поверхности под мышью с высокой частотой и
обрабатывает их. На основании анализа череды последовательных снимков,
представляющих собой квадратную матрицу из пикселей разной яркости, интегрированный
DSP-процессор высчитывает результирующие показатели, свидетельствующие о
направлении перемещения мыши вдоль осей Х и Y, и передает результаты своей работы на
периферийный интерфейс. Основные характеристики, обеспечивающие надежность работы
оптических мышей, определяются техническими параметрами применяемых сенсоров (табл.
16.1).
Таблица 16.1. Параметры некоторых сенсоров для оптических мышей
Марка сенсора
HDNS-2000 ADNS-2620 ADNS-2051 ADNS-3060
Разрешение, cpi (точек на дюйм) 400
400
400/800
400/800
Размер "снимков", пикс.
18x18
16x16
30x30
Макс. скорость, см/с
30
30
35
100
2
Макс. ускорение (в рывке), м/с 1,5
2,5
1,5
150
Частота снимков, кадр/с
1500
1500/2300 500-2300
500-6400
Первые мыши подключались к ПК через специальную плату-адаптер (т. н. мыши с шинным
интерфейсом - bus mouse). Затем большое распространение получил способ подключения
2
мыши через последовательный интерфейс RS-232C. Мыши с последовательным
интерфейсом для передачи данных чаще всего работают с разработанным Microsoft
протоколом. Данные передаются со скоростью 1200 бит/с, используется 7 бит данных без
контроля четности и один стоповый бит. Одна передача содержит три 7-битных числа,
кодирующих 8-битное горизонтальное (dX) и 8-битное вертикальное перемещение (dY), а
также 2 бита (LB, RB) состояния кнопок (табл. 16.2). Перемещение задается в виде числа со
знаком (-128:+127) в специальных единицах - counts, определяемых разрешением мыши counts per inch (cpi), которое обычно составляет 400 cpi. Кроме протокола Microsoft,
распространены также протокол Logitech (отличается от протокола Microsoft способом
передачи информации о средней кнопке) и протокол Mouse Systems (5-байтовый, передается
информация о "старом" и "новом" положении мыши).
Таблица 16.2. Протокол Microsoft для мышей с последовательным интерфейсом
6
5
4
3
2
1
0
1 LB
RB
dY7
dY6
dX7
dX6
байт 1
0 dX5
dX4
dX3
dX2
dX1
dX0
байт 2
0 dY5
dY4
dY3
dY2
dY1
dY0
байт 3
В 1987 году компания IBM выпустила серию персональных компьютеров PS/2, в котором
был представлен выделенный последовательный интерфейс для подключения мыши с
разъемом 6 mini-DIN. Одним из преимуществ новых портов по сравнению с
последовательным было низкое напряжение питания - 5 В вместо 12 В, а также
независимость от других устройств, в то время как последовательные мыши нередко мешали
внутренним модемам, поскольку четыре COM-порта ПК делили всего два IRQ. Необходимо
отметить также недостатки этого интерфейса. Наиболее существенным является более
высокий риск вывода из строя порта при подключении или отключении мыши при
работающем компьютере. Хотя последовательные порты мыши и клавиатуры в PS/2 имеют
сходный электрический интерфейс и даже одинаковые разъемы, материнская плата не
опознает мышь и клавиатуру, если их подключить не в "свой" порт, т.к. протоколы передачи
данных отличаются, а, кроме того, линия данных в порту клавиатуры - двунаправленная. В
спецификации Microsoft PC 97 предлагается единая цветовая маркировка этих портов: для
клавиатуры - фиолетовая, для мыши - зеленая. Широкое распространение портов PS/2
произошло с внедрением в 1997 г. фирмой Intel стандарта ATX. А уже в 2002 году в
спецификации Microsoft PC 2002 было предложено отказаться от этих портов в пользу
универсального интерфейса USB.
Прочие устройства ввода - манипуляторы
Трекбол представляет собой "перевернутую" оптико-механическую мышь - в движение
приводится не сам корпус устройства, а только его шар. Это позволяет существенно
повысить точность управления курсором и, кроме того, экономить место, поэтому трекболы
часто используют в ноутбуках.
Сенсорная панель (touchpad или trackpad) - это устройство ввода, применяемое в ноутбуках,
служит для перемещения курсора в зависимости от движений пальца пользователя.
Используется в качестве замены компьютерной мыши. Сенсорные панели различаются по
размерам, но обычно их площадь не превосходит 50 см2. Работа сенсорной панели основана
на измерении емкости пальца или измерении емкости между сенсорами. Емкостные сенсоры
расположены вдоль вертикальной и горизонтальной осей панели, что позволяет определять
положение пальца с нужной точностью. Поскольку работа устройства основана на
измерении емкости, оно не будет работать, если водить по нему каким-либо непроводящим
предметом, например, основанием карандаша. В случае использования проводящих
предметов сенсорная панель будет работать только при достаточной площади
3
соприкосновения, поэтому, например, работа с влажными пальцами весьма затруднена.
Преимуществами сенсорных панелей являются:




отсутствует необходимость в ровной поверхности, как для мыши;
расположение сенсорной панели, как правило, фиксировано относительно
клавиатуры;
для перемещения курсора на весь экран достаточно лишь небольшого перемещения
пальца;
работа с ними не требует особого привыкания, как, например, в случае с трекболом.
Недостатком же сенсорных панелей является низкое разрешение, что затрудняет работу в
графических редакторах и 3D-играх.
Джойстик является аналоговым координатным устройством ввода информации,
выполняемым обычно в виде двух реостатных датчиков с питанием +5 В. Рукоятка
джойстика связана с двумя переменными резисторами, изменяющими свое сопротивление
при ее перемещении. Один резистор определяет перемещение по координате Х, другой - по
Y. Джойстик обычно подключается к адаптеру игрового порта, расположенному на
многофункциональной плате ввода-вывода (Multi I/O Card) или звуковой карте (в последнем
случае разъем игрового порта совмещается с интерфейсом MIDI). Очевидно, что основным
элементом игрового адаптера является АЦП. Адаптер принимает до четырех цифровых
сигналов типа "включено-выключено" (кнопки) и до четырех аналоговых сигналов, что
позволяет подключать два 2-кнопочных джойстика.
Световое перо работает с помощью небольшого оптического детектора, находящегося на его
кончике. По ходу сканирования экрана электронным лучом инициируется импульс
оптического детектора, когда пучок достигает точки экрана, над которой находится перо.
Время возникновения этого импульса относительно сигналов горизонтальной и
вертикальной синхронизации позволяет определить позицию светового пера. По своей сути
световое перо является расширением видеосистемы. Разъем для подключения светового пера
был обязательным для видеоадаптеров CGA, встречался время от времени у видеоадаптеров
EGA, но практически исчез с распространением VGA.
Сканер
Сканером называется устройство, которое позволяет вводить в компьютер образы
изображений, представленных в виде текста, рисунков, слайдов, фотографий или другой
графической информации. Сканеры можно классифицировать по следующим критериям:
1. По степени прозрачности вводимого оригинала изображения:
o непрозрачные оригиналы (фотографии, рисунки, страницы книг и журналов),
при этом изображение снимается в отраженном свете;
o прозрачные оригиналы (слайды, негативы, пленки), при этом обрабатывается
свет, прошедший через оригинал.
2. По кинематическому механизму сканера:
o ручные сканеры - проблема ровного и равномерного перемещения
сканирующей головки по соответствующему изображению (от чего зависит
качество сканированного изображения) возлагается на пользователя;
o планшетные сканеры - сканирующая головка перемещается относительно
бумаги с помощью шагового двигателя;
o рулонные сканеры - отдельные листы документов протягиваются через
устройство так, что сканирующая головка остается на месте (неприменимы для
сканирования книг и журналов);
o проекционные сканеры - вводимый документ кладется на поверхность
сканирования изображением вверх, при этом блок сканирования также
4
находится сверху, а перемещается только сканирующее устройство (возможно
сканирование проекций трехмерных предметов).
3. По типу вводимого изображения:
o черно-белые (штриховые или полутоновые);
o цветные.
В черно-белом сканере изображение освещается белым светом, получаемым, как правило, от
флуоресцентной лампы. Отраженный свет через редуцирующую линзу попадает на
фоточувствительный элемент (ПЗС-линейка или ПЗС-матрица). Каждая строка сканирования
изображения соответствует определенным значениям напряжения на ПЗС. Эти значения
напряжения преобразуются в цифровую форму через АЦП (для полутоновых сканеров) или
через компаратор (для двухуровневых "штриховых" сканеров).
Для сканирования цветных изображений существует несколько технологий. Например, в
сканерах фирмы Microtek сканируемое изображение поочередно освещается красным,
зеленым и синим цветом, так что страница сканируется за три прохода. Похожий подход
используется в сканерах Epson и Sharp, однако там смена цвета происходит для каждой
строки, что позволяет избежать проблем с "выравниванием" пикселей при разных проходах.
В сканерах Hewlett Packard и Ricoh сканируемое изображение освещается источником белого
света, а отраженный свет через редуцирующую линзу попадает на трехполосную ПЗСлинейку через систему специальных фильтров, разделяющих свет на три компоненты:
красный, синий, зеленый.
Для связи с компьютером сканеры, как правило, используют один из универсальных
периферийных интерфейсов: SCSI, IEEE 1284 или USB.
Для унифицирования прикладного программного интерфейса драйвера сканера (а также
цифровых камер) в 1992 г. компаниями Aldus, Caere, Eastman Kodak, Hewlett Packard и
Logitech была разработана спецификация TWAIN6).
Устройства вывода
Монитор
Монитор (дисплей) - устройство визуализации текстовой или графической информации без
ее долговременной фиксации. По типу отображаемой информации мониторы делят на
алфавитно-цифровые (в настоящее время не используются) и графические. По способу
формирования изображения графические дисплеи делят на векторные (не используются в
ПК) и растровые. В векторном дисплее изображение строится из элементарных отрезков
векторов (в случае ЭЛТ - электронный луч непрерывно "вырисовывает" контур изображения,
собирая его из этих векторов). В растровых дисплеях изображение получают с помощью
матрицы точек (в случае ЭЛТ - электронные лучи пробегают по строкам экрана, подсвечивая
требуемые точки своим цветом). Наиболее широкое распространение получили мониторы на
базе электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) и на основе жидких кристаллов (ЖК).
Принцип действия ЭЛТ-мониторов заключается в том, что испускаемый электродом
(электронной пушкой) пучок электронов, попадая на экран, покрытый люминофором,
вызывает его свечение (рис. 16.2). На пути пучка электронов находятся дополнительные
электроды: отклоняющая система (определяет направление пучка) и модулятор (регулирует
яркость получаемого изображения). В случае цветного монитора имеются три электронных
пушки с отдельными схемами управления, а на поверхность экрана нанесен люминофор трех
основных цветов: R (red) - красный, G (green) - зеленый, B (blue) - синий. Чтобы каждая
пушка попадала только по люминофору своего цвета, используется теневая маска.
Электронный луч периодически сканирует весь экран, образуя близкорасположенные строки
развертки. По мере движения луча по строкам видеосигнал, подаваемый на модулятор,
5
изменяет яркость определенных пикселей, образуя видимое изображение. В цикле
сканирования луч движется по зигзагообразной траектории от левого верхнего угла экрана к
нижнему правому. Прямой ход луча по горизонтали осуществляется сигналом строчной
(горизонтальной) развертки, а по вертикали - сигналом кадровой (вертикальной) развертки.
Рис. 16.2. Устройство ЭЛТ: 1 - электронные пушки, 2 - отклоняющая система, 3 - теневая
маска, 4 - люминофоры
Очевидно, наиболее важными параметрами для монитора являются: частота кадровой
развертки, частота строчной развертки и полоса пропускания видеосигнала. Частота
кадровой развертки во многом определяет устойчивость изображения (отсутствие мерцаний).
Ассоциация VESA1) рекомендует использовать для разрешений 640х480 и 800х600 частоту
кадровой развертки не ниже 72 Гц, а для разрешения 1024х768 - не ниже 70 Гц. Современные
мониторы поддерживают кадровые развертки в диапазоне 60-160 Гц. Частота строчной
развертки определяется произведением частоты вертикальной развертки на количество
выводимых строк в одном кадре с учетом обратного хода (разрешение по вертикали),
типичное значение - 30-64 кГц (отражает количество строк, которое монитор может
воспроизвести за одну секунду). Полоса видеосигнала определяется произведением
разрешения по горизонтали с учетом обратного хода на частоту строчной развертки
(отражает число точек в строке, которое монитор может воспроизвести за одну секунду). К
важным факторам, определяющим четкость изображения, относят также размеры точек
люминофора, а точнее - расстояние между ними (dot pitch), типичное значение - 0,25-0,28
мм.
Работа ЖК-мониторов основана на свойстве некоторых веществ проявлять анизотропию в
текучем ("жидком") состоянии. Первый ЖК-монитор был продемонстрирован американской
фирмой RCA в 1966 году. Для изготовления ЖК-мониторов используют так называемые
нематические кристаллы, молекулы которых имеют форму палочек или вытянутых
пластинок. В отсутствии электрического поля молекулы этого вещества образуют
скрученные спирали (обычно 90º). В результате такой ориентации молекул плоскость
поляризации проходящего света поворачивается. Если же к прозрачным электродам
приложено напряжение, спираль молекул распрямляется (они ориентируются вдоль поля),
при этом поворота плоскости поляризации проходящего света не происходит. Используя
подходящим образом ориентированный пленочный поляризатор, можно добиться, чтобы в
первом случае ЖК-элемент пропускал проходящий свет, а во втором - нет.
Таким образом, каждая точка изображения на ЖК-мониторе представляет из себя
соответствующий TSTN2) -элемент, а весь экран - матрицу этих элементов. Для адресации
ЖК-элементов можно использовать два метода: прямой (пассивный) и косвенный
(активный). При прямой адресации элементов каждая выбираемая точка изображения
6
активируется подачей напряжения на соответствующий проводник-электрод для строки
(общий для целой строки) и на проводник-электрод для столбца (общий для всего столбца).
Матрицы с пассивным управлением ("пассивные матрицы") имеют недостаточный контраст
изображения, т.к. электрическое поле возникает не только в точке пересечения адресных
проводников, но и на всем пути распространения тока. Эта проблема решается при
использовании так называемых активных матриц, когда каждой точкой изображения
управляет свой независимый электронный переключатель (как правило, TFT3)).
При применении активных матриц большое значение имеют такие параметры, как малое
время отклика (типичное значение - 10-25 мкс) и большой угол зрения (75º-120º).
При подключении мониторов к видеокарте используются в основном два типа разъемов:
разъем DB-15 с аналоговым видеосигналом и опционально с цифровым интерфейсом DDC4)
и разъем DVI (Digital Visual Interface), позволяющий передавать как аналоговый
видеосигнал, так и цифровой.
Принтеры
Под принтером обычно подразумевают устройство вывода данных, преобразующее
информацию в удобную для чтения форму на бумаге. Принтеры классифицируют по
следующим критериям:
1. По способу печати:
o последовательные - печатный документ формируется символ за символом;
o строчные - при печати устройство формирует сразу всю строку целиком;
o страничные - на бумагу наносится изображение сразу всей страницы.
2. По технологии печати:
o ударные (для переноса красящего вещества используется механический удар);
o безударные.
К ударным принтерам относят матричные принтеры. В них печатающая головка из 9, 18 или
24 игл, приводимых в движение электромагнитами, крепится к каретке и перемещается
вместе с ней по направляющим параллельно бумаге вдоль печатаемой строки. Часть игл
матрицы приводится в движение, и они "ударяют" по красящей ленте, находящейся между
головкой и бумагой, формируя, таким образом, след из маленьких точек. К недостаткам этих
принтеров относят низкую скорость печати и высокий уровень шума при работе.
Достоинством же является то, что они оставляют оттиски букв на бумаге, а это важно при
составлении финансовых или официальных документов. Следует отметить, что у этой
технологии печати в общем случае нежесткие требования к качеству бумаги.
К безударным относят струйные чернильные принтеры. У них, так же как и у матричных,
головка движется в горизонтальной плоскости над бумагой. Печатающая головка содержит
сопла, через которые подаются чернила. У разных моделей количество сопел может
варьироваться от 12 до 64. Различные технологии струйных принтеров отличаются способом
выбрасывания чернильной капельки из сопла. В принтерах Cannon и Hewlett Packard
используется технология bubble-jet (или thermal ink jet). В каждом сопле находится
нагревательный элемент (тонкопленочный резистор). При резком нагревании образуется
чернильный паровой пузырь, который выталкивает из сопла очередную порцию чернил. В
принтерах Epson используется технология piezo ink jet. Выбросом капли из сопла управляет
диафрагма из пьезоэлемента. Под действием электрического поля пьезоэлемент
деформируется и выталкивает каплю из сопла. Скорость работы струйных принтеров
примерно такая же, как и у матричных. Несомненным преимуществом перед матричными
принтерами является низкий уровень шума при работе. Однако следует иметь в виду, что
струйные принтеры требуют высококачественной бумаги. В целом, необходимо отметить,
7
что расходные материалы для данной технологии являются самыми дорогими, по сравнению
с принтерами других технологий печати.
Другой популярной безударной технологией является технология электрографической
печати, которая используется в так называемых лазерных принтерах. Луч микромощного
полупроводникового лазера формирует электронное изображение на фотоприемном
барабане. Барабану предварительно сообщается некий статический заряд. Таким образом,
освещаемые и неосвещаемые лазером участки барабана имеют разный заряд. К заряженным
участкам прилипают частицы порошкообразного тонера. При соприкосновении бумаги с
барабаном на ней остается отпечаток, который фиксируется за счет нагрева частиц тонера до
температуры плавления. Лазерные принтеры имеют высокую скорость печати и высокую
разрешающую способность. Недостатком является высокая цена принтеров и необходимость
использования качественной бумаги.
Для управления принтером используются специальные языки. Для матричных и струйных
принтеров наибольшее распространение получил язык ESC/P5). Для лазерных и некоторых
струйных принтеров основными языками управления являются PCL6) фирмы Hewlett Packard
и PostScript фирмы Adobe.
Для подключения принтеров используют RS-232C, IEEE 1284 или USB.
Внешние запоминающие устройства
Накопители с магнитным носителем
В настоящее время распространены три типа накопителей с магнитной записью информации:
на жестких (несъемных) магнитных дисках (НЖМД или "винчестеры"), на гибких
магнитных дисках (НГМД или флоппи-дисководы) и на магнитной ленте (НМЛ или
стримеры).
НЖМД содержит один или несколько жестких алюминиевых или стеклянных дисков,
покрытых слоем ферромагнитного материала, которые смонтированы на оси-шпинделе.
Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря
тонкой прослойке воздуха (доли микрон), образуемой при быстром вращении дисков.
Скорость вращения современных винчестеров составляет 5400-15000 об/мин. Информация
записывается на диск в результате изменения ориентации магнитных доменов на участке
поверхности диска под записывающей головкой. Для кодирования информации в первых
винчестерах использовался метод MFM1). В этом случае "1" переводится в комбинацию "01",
а "0" - в комбинацию "10", если следует за битом "0", или в "00", если следует за битом "1",
что обеспечивает не более трех нулей подряд. При записи этой последовательности на диск
логическая "1" кодируется сменой намагниченности на соответствующем участке, а
логический "0" - отсутствием смены (рис. 16.3). Это означает, что один переход
намагниченности соответствует 1-3 битам.
Рис. 16.3. Схема кодирования MFM
Впоследствии стала использоваться схема кодирования RLL2). Алгоритмы RLL
обеспечивают такую закодированную последовательность, что длина поля записи
(количество бит между переходами от "0" к "1" или от "1" к "0") ограничена определенным
диапазоном [d+1; k+1]. Параметры d и k задаются модификацией алгоритма (обозначается
8
RLL d,k). Для винчестеров использовался RLL 2,7: 8 бит данных перекодируются в 16 так,
чтобы в последовательности встречалось не менее двух и не более семи нулей. Затем был
внедрен RLL 3,9 (Advanced RLL) и т.п. Большинство современных накопителей используют
ту или иную модификацию RLL.
Поверхность магнитного носителя в ее первозданном виде - это всего лишь магнитное
покрытие, которое не готово к работе. Структура диска, включающая в себя дорожки
(концентрические полоски, но которые разделена каждая сторона пластины), цилиндры
(дорожки на обеих сторонах пластины, расположенные на окружностях с одинаковым
радиусом) и сектора (участки дорожки, представляющие собой наименьший размер порции
данных, которая может быть изменена в результате перезаписи), формируется при
физическом (низкоуровневом) форматировании. В ходе этой операции контроллер
накопителя записывает на носитель служебную информацию: байты синхронизации,
указывающие на начало каждого сектора, идентификационные заголовки, состоящие из
номеров головки, сектора и цилиндра, байты контрольной суммы CRC (Cyclic Redundancy
Check) и коды обнаружения ошибок ECC (Error Correction Code); при этом происходит также
маркировка дефектных секторов для исключения обращения к ним в процессе эксплуатации
диска.
Все современные винчестеры поддерживают технологию SMART (Self-Monitoring, Analysis
and Reporting Technology), которая предполагает выполнение внутренней диагностики
винчестера, определяющей состояние двигателя, магнитных головок, рабочих поверхностей
носителя и контроллера.
Определенный интерес представляют также накопители со сменным носителем: НГМД и
НМЛ (последние реже используются в настольных системах).
Обычно дискета (floppy disk) представляет собой гибкую пластиковую пластину, покрытую
ферромагнитным слоем. Эта пластина помещается в гибкую или жесткую оболочку,
защищающую магнитный слой от физических повреждений. Запись и считывание дискет
осуществляется с помощью специального устройства - дисковода (флоппи-дисковода).
Дискеты обычно имеют функцию защиты от записи, посредством которой можно
предоставить доступ к данным только в режиме чтения.
Первая дискета диаметром в 200 мм (8 дюймов) с соответствующим дисководом была
представлена фирмой IBM в 1971. В первых моделях IBM PC использовались дискеты
диаметром 133 мм (5¼ дюйма). В 1982 году фирма Sony представила дискеты диаметром 90
мм (3½ дюйма) и дисководы для них. Широкое распространение этот тип дискет получил в
1984 году, когда Apple использовала новый формат для компьютеров Macintosh. Фирма IBM
приняла решение использовать 3,5-дюймовые дисководы только в 1987 году в компьютерах
серии PS/2. Наиболее популярные форматы дискет представлены в табл. 16.3. При записи на
дискету используется кодирование MFM.
Внутренние дисководы подключаются при помощи интерфейса SA-400, разработанного в
начале 1970-х годов компанией Shugart Associates. Интерфейс относится к категории
интерфейсов на уровне устройства, т.к. содержит сигналы, характерные для функций
устройства (Motor On - включить мотор, Index - проход индексной метки, Side 1 Select выбор головки и т.п.) Интерфейс обеспечивает скорость порядка 300 Кбит/с.
Таблица 16.3. Форматы дискет диаметром 5¼" и 3½" (двухсторонние)
Тип дискеты3)
5¼" DS/DD 5¼" DS/QD 3½" DS/DD 3½" DS/HD 3½" DS/ED
Размер, Кбайт
360
1200
720
1440
2880
Год выпуска
1978
1984
1984
1987
1991
9
Дорожек/секторов4) 40/9
80/15
80/9
80/18
80/36
Носители на магнитной ленте (стримеры) применяются в компьютерах с начала 50-х годов.
Сравнительные характеристики различных стримеров представлены в табл. 16.4.
Таблица 16.4. Характеристики различных носителей для стримеров
Год
Марка
Ширина,мм Длина,м Емкость,Гбайт Скорость,Мбайт/с
выпуска
DDS (Digital Data Storage), разработан Sony и Hewlett Packard
DDS-1
1989
3,8
60/90
1,3/2,0
0,6
DDS-2/3/4 1993/96/99
120/125/150 4,0/12/20
0,6/1,1/2,4
DAT 72
2003
170
36
3,5
DLT (Digital Linear Tape), разработан Digital Equipment Corporation
CT I/II
1984
12,6
0,1/0,3
0,045
DLT III/IV 1989
2,6-40
0,8-6
SDLT I/II
1998
110-300
10-36
LTO (Linear Tape-Open), разработан Certance, Hewlett Packard и IBM
LTO1
1999
100-200
20-40
LTO2
2002
200-400
40-80
LTO3
2005
400-800
80-160
AIT (Advanced Intelligent Tape), разработан Sony
AIT-1/2
1996/99
8,0
170/230
25/50
3/6
AIT-3/4
2001/05
230/246
100/200
12/24
QIC-MC (Quarter Inch Cartridge - MiniCartridge), разработан на основе DataCartridge
фирмы 3M
QIC-40-MC 1983-1997
6,35/8,00
62,5/93,5
0,040/0,060
0,06
QIC-80-MC
62,5-305
0,080-0,530
0,06
QIC-30x0122-305
0,340-2
0,06-1
MC
QIC-3110122
2
MC
QIC-3210122
1,8/2,3
MC
QIC-3230228
15,5
MC
Для внутренних накопителей всех типов используют интерфейсы SCSI, EIDE/ATA или
SerialATA, а для внешних - SCSI, IEEE 1284 (иногда), USB и FireWire.
Накопители с оптическим носителем
Под накопителем для оптических носителей чаще всего подразумевают привод для компактдисков (CD). Компакт-диск был создан в 1979 году компаниями Philips и Sony. В Philips
разработали общий процесс производства, основываясь на своей более ранней технологии
лазерных дисков, а Sony выработала методику коррекции ошибок.
Компакт-диски изготавливаются из поликарбоната толщиной 1,2 мм, покрытого тончайшим
слоем алюминия с защитным слоем из лака, на котором обычно печатается этикетка.
10
Компакт-диски диаметром 12 см вмещают до 650 Мбайт информации (74 мин. аудио).
Используются также CD объемом 700 Мбайт (80 мин. аудио), 800 Мбайт (90 мин. аудио) и
более, однако они могут не читаться на некоторых приводах компакт-дисков. Бывают также
мини-CD диаметром 8 см, вмещающие 140 Мбайт данных (21 мин. аудио).
Информация на диске хранится в виде спиральной дорожки так называемых питов
(углублений), выдавленных на поликарбонатном слое. Каждый пит имеет примерно 125 нм в
глубину, 500 нм в ширину и длину от 850 нм до 3,2 мкм. Расстояние между соседними
дорожками спирали - 1,5 мкм. Данные с диска читаются при помощи лазерного луча с
длиной волны 780 нм, который просвечивает поликарбонатный слой, отражается от
алюминиевого и считывается фотодиодом. Луч лазера образует на отражающем слое пятно
диаметром примерно 1,5 мкм. Т.к. диск читается с нижней стороны, каждый пит выглядит
для лазера как возвышение. Места, где такие возвышения отсутствуют, называются
площадками. Свет от лазера, попадающий на площадку, отражается и улавливается
фотодиодом. Если же свет попадает на возвышение, он испытывает интерференцию со
светом, отраженным от площадки вокруг возвышения, и не отражается. Так происходит
потому, что высота каждого возвышения равняется четверти длины волны света лазера, что
приводит к разнице в фазах в половину длины волны между светом, отраженным от
площадки, и светом, отраженным от возвышения. Таким образом, фиксируются логические
"1" и "0" (рис. 16.4), соответствующие исходным данным в коде EFM5) Для коррекции
ошибок используется алгоритм CIRC6).
Рис. 16.4. Кодирование информации на CD с использованием EFM
Различают следующие виды компакт-дисков: CD-ROM, CD-R и CD-RW. Обычные компактдиски (CD-ROM) штампуются на заводах при помощи стеклянной матрицы с вытравленным
на ней рисунком дорожек, которой прессуется металлический слой диска.
CD-R - это однократно записываемый компакт-диск. Он состоит из пластиковой основы и
записывающего слоя, представляющего собой слой органического красителя (цианин,
металлизированный AZO или фталоцианин) и отражающий слой из серебра, его сплава или
золота. Отражающий слой покрывается защитным лаком. Чистый CD-R не является
полностью пустым, на нем имеется служебная дорожка с сервометками ATIP7). Эта
служебная дорожка нужна для системы слежения, которая удерживает луч лазера при записи
на дорожке и следит за скоростью записи. Помимо функций синхронизации служебная
дорожка также содержит информацию об изготовителе этого диска, сведения о материале
записывающего слоя, длине дорожки для записи и т.п. Служебная дорожка не разрушается
при записи данных на диск. При записи CD-R данные наносятся на диск лучом лазера
повышенной мощности, чтобы физически "прожечь" органический краситель
записывающего слоя. Когда краситель нагревается выше определенной температуры, он
разрушается и меняет отражательные свойства (темнеет). Управляя мощностью лазера, на
записывающем слое можно получить чередование темных и светлых пятен, которые при
чтении интерпретируются как питы. При чтении лазер имеет значительно меньшую
мощность, чем при записи, и не разрушает краситель записывающего слоя. Отраженный от
слоя серебра луч попадает на фотодиод; если же луч падает на темный ("прожженный")
участок, то почти не проходит через него до отражающего слоя и фотодиод регистрирует
ослабление светового потока. Прожигание записывающего слоя является необратимым
химическим процессом, т.е. однократным, поэтому записанную на CD-R информацию нельзя
стереть.
11
CD-RW - это перезаписываемый компакт-диск. Технология CD-RW была представлена в
1997 году. В CD-RW записывающий слой состоит из материала с фазовым переходом
(обычно сплав AgInSbTe). При помощи ИК-лазера кристаллические участки записывающего
слоя быстро нагреваются и переходят в аморфное состояние или трансформируются при
более низкой температуре и более длительном нагреве обратно в кристаллическое состояние.
Различие в коэффициентах отражения аморфных и кристаллических областей
интерпретируется как питы и площадки. Однако уровень сигналов в таком случае получается
ниже, чем декларируется стандартами CD-ROM и CD-R, поэтому компакт-диски CD-RW
могут не читаться в приводах, выпущенных до 1997 г.
Основным стандартом, который определяет логический и файловый форматы записи
компакт-дисков, является ISO 9660 (файловая система компакт-дисков). Ряд других
стандартов, касающихся компакт-дисков, изложен в документах, называемых "цветными
книгами":




"Red Book" ("Красная книга") описывает аудио-CD (CD Digital Audio). В соответствии
с этой спецификацией на компакт-диск можно записывать звук в два канала с 16битной импульсно-кодовой модуляцией (PCM) и частотой дискретизации 44,1 кГц.
Спецификация была предложена фирмами Philips и Sony в 1980 г. и позднее была
утверждена в качестве стандарта ISO/IEC 60908.
"Yellow Book" ("Желтая Книга") описывает формат CD-ROM, утверждена в качестве
стандартов IEC/ISO 10149 и ECMA8) 130.
"Orange Book" ("Оранжевая книга") представляет собой серию технических
стандартов, связанных с CD-R и CD-RW.
"White Book" ("Белая книга") была выпущена в 1987 г. фирмами Philips, Matsushita и
JVC и описывает формат Video-CD: файловая система, совместимая с ISO 9660,
двухканальный (стерео) аудиопоток 224 кбит/с с частотой дискретизации 44,1 кГц в
формате MPEG 1 Layer 2, видеопоток 352х240 30 кадр/с (NTSC) или 352x288 25
кадр/с (PAL) в формате MPEG 1 (примерно 1,13 Мбит/с).
В сентябре 1995 г. группой компаний (Philips, Sony, Toshiba и др.), позднее образовавших
DVD Forum, была предложена спецификация оптических дисков высокой плотности - DVD9).
DVD представляет собой две склеенных пластины из поликарбоната толщиной по 0,6 мм,
покрытых отражающим слоем из алюминия или золота. Один слой способен хранить 4,38
Гбайт информации. Для чтения DVD используется лазер с длиной волны 650 нм и большей,
чем у лазеров для CD, апертурой, что позволяет значительно увеличить плотность записи.
Кроме того, в DVD используется более эффективные алгоритмы кодирования (EFM-Plus10)) и
коррекции ошибок (RS-PC11)).
DVD по структуре данных бывают трех типов: DVD-Video, DVD-Audio и DVD-Data. В
отличие от CD, все три типа DVD хранят данные в формате файловой системе UDF.
Различают следующие типы носителей DVD:




DVD-ROM - штампованные на заводе диски;
DVD-R/RW (DL) - однократно (RW - многократно) записываемые диски,
стандартизованные DVD Forum (Double Layer - двухслойные);
DVD-RAM - многократно записываемые диски с произвольным доступом (RAM Random Access Memory);
DVD+R/RW (DL) - однократно (RW - многократно) записываемые диски,
предложенные DVD+RW Alliance (Double Layer - двухслойные).
Стандарт записи DVD-R/RW был разработан консорциумом DVD Forum как официальная
спецификация (пере)записываемых дисков. Однако цена лицензии на эту технологию была
слишком высока, и поэтому несколько производителей пишущих приводов и носителей для
12
записи объединились в DVD+RW Alliance, который и разработал стандарт DVD+R/RW.
Стоимость лицензии на эту спецификацию ниже. Стандарты записи DVD+R/RW и
DVDR/RW частично совместимы. Все приводы для DVD могут читать оба формата дисков, и
большинство пишущих приводов также могут записывать диски обеих технологий.
DVD-RAM по технологии ближе к винчестерам, чем к компакт-дискам, т.к. вместо одной
спиральной дорожки содержит множество концентрических дорожек. Технология
произвольного доступа обеспечивает работу с DVD-RAM как с обычным сменным
накопителем (возможна произвольная запись, как на дискету или винчестер, без
использования специального ПО).
По объему выделяют следующие категории DVD-дисков:




DVD-5 - однослойные односторонние 4,7 гигабайт (4,38 Гбайт);
DVD-9 - двухслойные односторонние 8,5 гигабайт (7,92 Гбайт);
DVD-10 - однослойные двухсторонние 9,4 гигабайт (8,75 Гбайт);
DVD-18 - двухслойные двухсторонние 17,1 гигабайт (15,9 Гбайт).
Скорость CD-приводов указывается в единицах, кратных 150 Кбайт/с (1х), а DVD-приводов в единицах, кратных 1352 Кбайт/с (что соответствует 9х для CD-привода). Обычно
внутренние CD- и DVD-приводы подключаются через интерфейс EIDE/ATA или SCSI, а
внешние - через SCSI, USB или FireWire.
Вопросы для самоконтроля
1. Дайте классификацию периферийных устройств.
2. Сформулируйте основные принципы работы устройств ввода.
3. Перечислите классы сканеров.
4. Назовите типы дисплеев, физические принципы формирования изображения.
5. Сравните принтеры различных технологий.
6. Назовите виды внешней памяти ПК.
7. Какие существуют способы записи информации на магнитные носители?
8. Объясните, в чем преимущества RLL 2,7 перед MFM.
9. Охарактеризуйте разновидности оптических дисков.
10. Опишите оптические способы записи информации.
13