Глава 6. Запоминающие устройства ПК

Персональные компьютеры имеют четыре уровня памяти:

● микропроцессорная память (МПП);

● регистровая кэш-память;

● основная память (ОП);

● внешняя память (ВЗУ).

Две важнейших характеристики (емкость памяти и ее быстродействие) указанных типов памяти приведены в табл. 6.1.

Быстродействие первых трех типов запоминающих устройств измеряется временем обращения  к ним, а быстродействие внешних запоминающих устройств- двумя параметрами: временем доступа и скоростью считывания:

● t_обр, — сумма времени поиска, считывания и записи информации (в литературе это время часто называют временем доступа, что не совсем строго);

● t_дост — время поиска информации на носителе;

● V_счит — скорость последовательного считывания смежных байтов информации. Напомним общепринятые сокращения: с — секунда, мс — миллисекунда, мкс- микросекунда, нс — наносекунда; 1c = 10⁶ мс = 10⁶ мкс = 10⁹ нс.

Статическая и динамическая оперативная память

Оперативная память может составляться из микросхем динамического (Dynamic Random Access Memory — DRAM) или статического (Static Random Access Memory — SRAM) типа.

Память статического типа обладает существенно более высоким быстродействием, но значительно дороже ЭКАМ. В статической памяти элементы (ячейки) построены на различных вариантах триггеров — схем с двумя устойчивыми состояниями. После записи бита в такую ячейку она может пребывать в этом состоянии сколь угодно долго — необходимо только наличие питания. При обращении к микросхеме статической памяти на нее подается полный адрес, который при помощи внутреннего дешифратора преобразуется в сигналы выборки конкретных ячеек. Ячейки SRAM имеют малое время срабатывания (единицы наносекунд), однако микросхемы на их основе отличаются низкой удельной емкостью (единицы Мбит на корпус) и высоким энергопотреблением. Поэтому статическая память используется в основном в качестве микропроцессорной и буферной (кэш-память).

В динамической памяти ячейки построены на основе полупроводниковых областей с накоплением зарядов — своеобразных конденсаторов, — занимающих гораздо меньшую площадь, нежели триггеры, и практически не потребляющих энергии при хранении. Конденсаторы расположены на пересечении вертикальных и горизонтальных шин матрицы; запись и считывание информации осуществляется подачей электрических импульсов по тем шинам матрицы, которые соединены с элементами, принадлежащими выбранной ячейке памяти. При обращении к микросхеме на ее входы вначале подается адрес строки матрицы, сопровождаемый сигналом RAS (Row Address Strobe — строб адреса строки), затем через некоторое время — адрес столбца, сопровождаемый сигналом CAS (Column Address Strobe — строб адреса столбца). Поскольку конденсаторы постепенно разряжаются (заряд сохраняется в ячейке в течение нескольких миллисекунд), во избежание потери хранимой информации заряд в них необходимо постоянно регенерировать, отсюда и название памяти — динамическая. На подзаряд тратится и энергия, и время, и это снижает производительность системы.

Ячейки динамической памяти по сравнению со статической имеют большее время срабатывания (десятки наносекунд), но большую удельную плотность (порядка десятков Мбит на корпус) и меньшее энергопотребление. Динамическая память используется для построения оперативных запоминающих устройств основной памяти ПК.

Регистровая кэш-память

Регистровая кэш-память — высокоскоростная память сравнительно большой емкости, являющаяся буфером между ОП и МП и позволяющая увеличить скорость выполнения операций. Регистры кэш-памяти недоступны для пользователя, отсюда и название кэш (cache), что в переводе с английского означает «тайник».

В современных материнских платах применяется конвейерный кэш с блочным доступом (Pipelined Burst Cache). В кэш-памяти хранятся копии блоков данных тех областей оперативной памяти, к которым выполнялись последние обращения, и весьма вероятны обращения в ближайшие такты работы — быстрый доступ к этим данным и позволяет сократить время выполнения очередных команд программы. При выполнении программы данные, считанные из ОП с небольшим опережением, записываются в кэш-память. В кэш-память записываются и результаты операций, выполненных в МП.

По принципу записи результатов в оперативную память различают два типа

кэш-памяти:

● в кэш-памяти «с обратной записью» результаты операций, прежде чем их записать в ОП, фиксируются, а затем контроллер кэш-памяти самостоятельно перезаписывает эти данные в ОП;

● в кэш-памяти «со сквозной записью» результаты операций одновременно, параллельно записываются и в кэш-память, и в ОП.

Микропроцессоры начиная от МП 80486 обладают встроенной в основное ядро МП кэш-памятью (или кэш-памятью 1-го уровня — L1), чем, в частности, и обусловливается их высокая производительность. Микропроцессоры Pentium имеют кэш-память отдельно для данных и отдельно для команд: у Pentium емкость этой памяти небольшая — по 8 Кбайт, у Pentium ММХ — по 16 Кбайт. У Pentium Pro и выше кроме кэш-памяти 1-ro уровня есть и встроенная на микропроцессорную плату кэш-память 2-го уровня (L2) емкостью от 128 Кбайт до 2048 Кбайт. Эта встроенная кэш-память работает либо на полной тактовой частоте МП, либо на его половинной тактовой частоте. 

Следует иметь в виду, что для всех МП может использоваться дополнительная кэш-память 2-ro (L2) или 3-го (LЗ) уровня, размещаемая на материнской плате вне МП, емкость которой может достигать нескольких мегабайтов (кэш на МВ относится к уровню 3, если МП, установленный на этой плате, имеет кэш 2-ro .уровня). Время обращения к кэш-памяти зависит от тактовой частоты, на которой кэш работает, и составляет обычно 1 — 2 такта. Так, для кэш-памяти L1 МП Pentium характерно время обращения 2 — 5 нс, для кэш-памяти

L2 и ЕЗ это время доходит до 10 нс. Пропускная способность кэш-памяти зависит и от времени обращения, и от пропускной способности интерфейса и лежит в широких пределах от 300 до 3000 Мбайт/с.

Использование кэш-памяти существенно увеличивает производительность системы. Чем больше размер кэш-памяти, тем выше быстродействие, но эта зависимость нелинейная. Имеет место постепенное уменьшение скорости роста общей производительности компьютера с ростом размера кэш-памяти. Для современных ПК рост производительности, как правило, практически прекращается после 1 Мбайт кэш-памяти.

Основная память

При рассмотрении структуры основной памяти можно говорить как о физической структуре, то есть об основных ее конструктивных компонентах, так и о логической структуре, то есть о ее различных областях, условно выделенных для организации более удобных режимов их использования и обслуживания.

Физическая структура основной памяти

Упрощенная структурная схема модуля основной памяти при матричной его организации представлена на рис. 6.1.

При матричной организации адрес ячейки, поступающий в регистр адреса, например по 20-разрядным кодовым шинам адреса, делится на две 10-разрядные части, поступающие соответственно в Рег. адр. Х и Рег. адр. Y. Из этих регистров коды полуадресов поступают в дешифраторы дешифратор Х и дешифратор Y, каждый из которых в соответствии с полученным адресом выбирает одну из 1024 шин. По выбранным шинам подаются сигналы записи-считывания в ячейку памяти, находящуюся на пересечении этих шин. Таким образом адресуется 10⁶ (точнее 1024²) ячеек.

Считываемая или записываемая информация поступает в регистр данных (Рег. данных), непосредственно связанный с кодовыми шинами данных. Управляющие сигналы, определяющие, какую операцию следует выполнить, поступают по кодовым шинам инструкций. Куб памяти содержит набор запоминающих элементов — собственно ячеек памяти.

Основная память (ОП) содержит оперативное (RAM — Random Access Memory) и постоянное (ROM — Read Only Memory) запоминающие устройства.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) предназначено для хранения информации (программ и данных), непосредственно участвующей в вычислительном процессе в текущий интервал времени. ОЗУ — энергозависимая память: при отключении напряжения питания информация, хранящаяся в ней, теряется. Основу ОЗУ составляют микросхемы динамической памяти DRAM. Это большие интегральные схемы, содержащие матрицы полупроводниковых запоминающих элементов полупроводниковых конденсаторов. Наличие заряда в конденсаторе обычно означает «1», отсутствие заряда — «О». Конструктивно элементы oпeративной памяти выполняются в виде отдельных модулей памяти — небольших плат с напаянными на них одной или, чаще, несколькими микросхемами. Эти модули вставляются в разъемы — слоты на системной плате. На материнской плате может быть несколько групп разъемов — банков — для установки модулей памяти; в один банк можно ставить лишь блоки одинаковой емкости, например, только по 16 Мбайт или только по 64 Мбайт; блоки разной емкости можно устанавливать только в разных банках.

Модули памяти характеризуются конструктивном, емкостью, временем обращения и надежностью работы. Важным параметром модуля памяти является его надежность и устойчивость к возможным сбоям. Надежность работы современных модулей памяти весьма высокая — среднее время наработки на отказ составляет сотни тысяч часов, но тем не менее предпринимаются и дополнительные меры повышения надежности. Вопросы обеспечения надежности и достоверности ввиду их важности специально рассмотрены в части VI учебника. Здесь лишь укажем, что одним из направлений, повышающих надежность функционирования подсистемы памяти, является использование специальных схем контроля и избыточного кодирования информации.

Модули памяти бывают с контролем четности (parity) и без контроля четности (non parity) хранимых битов данных. Контроль по четности позволяет лишь обнаружить ошибку и прервать исполнение выполняемой программы. Существуют и более дорогие модули памяти с автоматической коррекцией ошибок — ЕСС- память, использующие специальные корректирующие коды с исправлением ошибок (см. раздел «Обеспечение достоверности информации» главы 20).

Существуют следующие типы модулей оперативной памяти:

● DIP;

● SIP;

● SIPP;

● SIMM;

● DIMM;

● RIMM.

Рассмотрим их подробнее.

DIP, SIP и SIPP

DIP (Dual In-line Package — корпус с двухрядным расположением выводов)— одиночная микросхема памяти, сейчас используется только в составе более укрупненных модулей (в составе модулей SIMM, например). SIP (Single In-line Package — корпус с однорядным расположением выводов) — микросхема с одним рядом выводов, устанавливаемая вертикально. SIPP (Single In-line Pinned Package — корпус с однорядным расположением проволочных выводов)— 30-контактный (штырьковый) модуль. Модули SIP и SIPP сейчас практически не применяются.

SIMM

SIММ (Single In-line Memory Module) представляет собой печатную плату с односторонним краевым разъемом типа слот и установленными на ней совместимыми микросхемами памяти типа DIP. Микросхемы SIMM бывают двух разных типов: короткие на 30 контактов (длина 75 мм) и длинные на 72 контакта (длина 100 мм). Модули SIMM имеют емкость 256 Кбайт, 1, 4, 8, 16, 32 и 64 Мбайт. Модули SIMM выпускаются с контролем и без контроля по четности и с эмуляцией контроля по четности. Память SIMM отличается также низким быстродействием — обычно она имеет время обращения 60 и 70 нс. Сейчас такое время обращения считается нежелательным, поэтому модули SIMM встречаются только в устаревших ПК.

DIMM

DIMM (Dual In-line Memory Module) — более современные модули, имеющие 168-контактные разъемы (длина модуля 130 мм); могут устанавливаться только на те типы системных плат, которые имеют соответствующие разъемы. Появление DIMM стимулировалось выпуском процессоров Pentium, имеющих 64-битовую шину данных. Необходимое число модулей памяти для заполнения шины называется банком памяти. В случае 64-разрядной шины для этого требуется два 32-битовых 72-контактных модуля SIMM или один 64-битовый модуль DIMM, имеющий 168 контактов. Модуль DIMM может иметь разрядность 64 бита (без контроля четности), 72 бита (с контролем четности) и 80 битов (память ЕСС). Емкость модулей DIMM: 16, 32, 64, 128, 256 и 512 Мбайт. Время обращения, характерное для современных модулей DIMM, работающих на частоте 100 и 133 МГц (модули РС100, РС133), лежит в пределах 6 — 10 нс.

RIMM

RIMM (Rambus In-line Memory Module) — новейший тип оперативной памяти. Появление технологии Direct Rambus ЭКАМ потребовало нового конструктивного исполнения для модулей памяти. Микросхемы Direct RDRAM собираются в модули RIMM, внешне подобные стандартным DIMM, что, кстати, и нашло отражение в названии модулей нового конструктива. На плате модуля RIMM может быть до 16 микросхем памяти Direct RDRAM, установленных по восемь штук с каждой стороны платы. Модули RIMM могут быть использованы на системных платах с форм-фактором АТХ, BIOS и чипсеты которых согласованы с данным типом памяти. Среди микросхем фирмы Intel это чипсеты i820, i840, i850 и их модификации. На системной плате предусматривается до четырех разъемов под данные модули. Необходимо отметить, что модули RIMM требуют интенсивного охлаждения. Это связано со значительным энергопотреблением и, соответственно, тепловыделением, что обусловлено высоким быстродействием данных модулей памяти (время обращения 5 нс и ниже). Хотя внешне модули RIMM напоминают модули DIMM, они имеют меньшее число контактов и с обеих сторон закрыты специальными металлическими, экранами, которые защищают модули RIMM, работающие на больших частотах, экранируя их чувствительные электронные схемы от внешних электромагнитных наводок. В настоящее время спецификации определяют три типа модулей, различающихся рабочими частотами и пропускной способностью. Обозначаются они как RIMM PC800, RIMM PC700, RIMM PC600. Наиболее быстродействующими являются модули RIMM PC800, работающие с чипсетом 850 на внешней тактовой частоте 400 МГц и имеющие пропускную способность 1,6 Гбайт/с. Модули RIMM PC600 и RIMM PC700 предназначены для работы на повышенных частотах шины памяти, например на частоте 133 МГц, поддерживаемой современными чипсетами.

Типы оперативной памяти

Различают следующие типы оперативной памяти:

● FPM DRAM;

● RAM EDO;

● BEDO DRAM;

● SDRAM;

● DDR SDRAM;

● DRDRAM и т. д.

FPM DRАМ

FPM DRAM (Fast Page Mode DRAM) — динамическая память с быстрым страничным доступом, активно используется с микропроцессорами 80386 и 80486. Память со страничным доступом отличается от обычной динамической памяти тем, что после выбора строки матрицы и удержании RAS допускает многократную установку адреса столбца, стробируемого CAS. Это позволяет ускорить блочные передачи, когда весь блок данных или его часть находятся внутри одной строки матрицы, называемой в этой системе страницей. Существуют две разновидности FPM DRAM, различающиеся временем обращения: 60 и 70 нс. Ввиду своей медлительности они не эффективны в системах с процессорами уровня Pentium II. Модули FPM DRAM в основном выпускались в конструктиве SIMM.

RAM  EDO

RAM EDO (EDO — Extended Data Out, расширенное время удержания (доступности) данных на выходе) фактически представляет собой обычные микросхемы FPM, к которым добавлен набор регистров-защелок, благодаря чему данные на выходе могут удерживаться в течение следующего запроса к микросхеме. При страничном обмене такие микросхемы работают в режиме простого конвейера: удерживают на выходе содержимое последней выбранной ячейки, в то время как на их входы уже подается адрес следующей выбираемой ячейки. Это позволяет примерно на 15% по сравнению с FPM ускорить процесс считывания последовательных массивов данных. При случайной адресации такая память никакого выигрыша в быстродействии не дает. Память типа RAM EDO имеет минимальное время обращения 45 нс и максимальную скорость передачи данных по каналу процессор-память 264 Мбайт/с. Модули RAM EDO выпускались в конструктива SIMM и DIMM.

BEDO DRAM

ВЕDО DRАМ (Burst Extended Data OutPut, EDO с блочным доступом). Современные процессоры благодаря внутреннему и внешнему кэшированию команд

и данных обмениваются с основной памятью преимущественно блоками слов максимальной длины. Этот вид памяти позволяет обрабатывать данные пакетно (блоками) так, что данные считываются блоками за один такт. В случае памяти BEDO отпадает необходимость постоянной подачи последовательных адресов на входы микросхем с соблюдением необходимых временных задержек — достаточно стробировать переход к очередному слову блока. Этот метод позволяет BEDO DRAM работать очень быстро. Память BEDO РКАМ поддерживают некоторые чипсеты фирм VIA Apollo (580VP, 590VP, 680VP) и Intel (i480TX и т. д.) на частоте шины не выше 66 МГц. Активную конкуренцию этому виду памяти составляет память SDRAM, которая постепенно ее и вытесняет. BEDO DRAM представлена модулями и SIMM и DIMM.

SDRAM

SDRAM (Synchronous DRAM — синхронная динамическая память), память с синхронным доступом, увеличивает производительность системы за счет синхронизации скорости работы ОЗУ со скоростью работы шины процессора. SDRAM также осуществляет конвейерную обработку информации, выполняя внутреннее разделение массива памяти на два независимых банка, что позволяет совмещать выборку из одного банка с установкой адреса в другом банке. SDRAM также поддерживает блочный обмен. Основная выгода от использования SDRAM состоит в поддержке последовательного доступа в синхронном режиме, где удается исключить дополнительные такты ожидания. Память SDRAM может устойчиво функционировать на высоких частотах: выпускаются модули, рассчитанные на работу при частотах 100 МГц (спецификация РС100) и 133 МГц (РС133). В начале 2000 года фирма Samsung объявила о выпуске новых интегральных микросхем (ИС) SDRAM с рабочей частотой 266 МГц. Время обращения к данным в этой памяти зависит от внутренней тактовой частоты МП и достигает 5 — 10 нс, максимальная скорость передачи данных «процессор-память» при частоте шины 100 МГц составляет 800 Мбайт/с (фактически равна скорости передачи данных по каналу процессор-кэш). Память SDRAM дает общее увеличение производительности ПК примерно на 25%. Правда, эта цифра относится к работе ПК без кэш-памяти, — при наличии мощной кэш-памяти выигрыш в производительности может составить всего несколько процентов. SDRAM обычно выпускается в 168-контактных модулях типа DIMM и имеет 64-разрядную шину данных. Используется не только в качестве оперативной памяти, но и как память видео- адаптеров, где она полезна при просмотре живого видео и при работе с трехмерной графикой.

DDR  SDRAM

DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM — SDRAM II). Вариант памяти SDRAM, осуществляющий передачу информации по обоим фронтам тактового сигнала. Это позволяет удвоить пропускную способность по сравнению с традиционной памятью SDRAM (до 1,6 Гбайт/с при частоте шины 100 МГц). Кроме того, DDR SDRAM может работать на более высокой частоте — в начале 2000 года были выпущены 143, 166 и 183 МГц 64-мегабитовые модули DDR

SDRAM. Модули DDR DRAM конструктивно совместимы с традиционными 168-контактными DIMM. Используются не только в качестве элементов оперативной памяти, но и в высокопроизводительных видеоадаптерах. Сейчас они ориентированы в первую очередь на рынок видеоадаптеров. В конце 2001 года компания Нуniх Semiconductor представила образец 128 Мбит DDR SDRAM (0,16 мкм). Его тактовая частота 375 МГц — самая высокая частота для DDR SDRAM на сегодняшний день (2003 год).

DRDRAM

DRDRAM (Direct Rambus DRAM — динамическая память с прямой шиной для RAM) — перспективный тип оперативной памяти, позволивший значительно увеличить производительность компьютеров. Высокое быстродействие памяти Direct RDRAM достигается рядом особенностей, не встречающихся в других типах. В частности, применением собственной двухбайтовой шины Rambus с частотой 800 МГц, обеспечивающей пиковую пропускную способность до 1,6 Гбайт/с. Контроллер памяти Direct RDRAM управляет шиной Rambus и обеспечивает преобразование ее протокола с частотой 800 МГц в стандартный 64-разрядный интерфейс с частотой шины до 200 МГц. Фирма Intel выпустила чипсеты i820, i840, i850 с поддержкой DRDRAM. Модули Direct RDRAM — RIMM внешне подобны модулям DIM M.

В маркировке SDRAM и DRDRAM (часто именуемой также как RDRAM) обычно указывается рабочая частота модуля в виде, например, обозначения РС150, что для SDRAM означает пиковую пропускную способность 1200 Мбайт/с — такую же, как у PC600 для DRDRAM (ввиду малоразрядности шины последней). Правда, многие чипсеты (например i850) поддерживают двухканальный обмен с памятью DRDRAM, что удваивает ее пропускную способность.

Для DDRDRAM указание РС150 подразумевало бы пропускную способность 2400 Мбайт/с — в 2 раза большую, чем для SDRAM (ввиду передачи информации по двум фронтам импульса). Но для DDR принято в маркировке около букв РС указывать не рабочую частоту, а саму пропускную способность. То есть маркировка РС2400 для DDRDRAM означает DDR-память с рабочей частотой 150 МГц (возможное обозначение такой памяти, как DDR150).

Увеличение разрядности и частоты шины Rambus, обещанное в ближайшие годы, делает память DRDRAM, несмотря на ее высокую стоимость, весьма перспективной. Так, компания Samsung наметила в конце 2003 года выпустить 64-битовую память (с четырьмя 16-битовыми каналами), имеющую пропускную способность 8500 Мбайт/с (РС1066) и 9600 Мбайт/с (РС120 0). Ближайшие перспективы DDRDRAM ненамного скромнее: фирма Нуniх Semiconducta анонсировала 512-мегабитовые чипы DDR, изготовленные по 0,10 мкм-технологии с рабочими частотами 266, 333 и 400 МГц (скорость обмена до 6400 Мбайт/с). Характеристики отдельных видов памяти представлены в табл. 6.2. В конце 2002 года появилось сообщение о создании компаниями Toshiba и Infineon Technologies AG новой ферроэлектрической микросхемы энергонезависимой памяти (FeRAM — Ferroelectric Random Access non-volatile Memory) емкостью 32 Мбит, по пропускной способности сравнимой с ЯРКАМ.

Компании IBM и Infineon Technologies разработали технологию магнитной оперативной памяти с произвольной выборкой (MRAM). Работает MRAM аналогично флэш-памяти (Flash) и является энергонезависимой. IBM сообщила, что MRAM сможет заменить существующие разновидности DRAM уже к 2005 году. Компьютер с MRAM будет загружаться практически мгновенно.

Постоянные запоминающие устройства

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ или ROM — Read Only Memory, память только для чтения) также строится на основе установленных на материнской плате модулей (кассет) и используется для хранения неизменяемой информации: загрузочных программ операционной системы, программ тестирования устройств компьютера и некоторых драйверов базовой системы ввода-вывода (BIOS) и т. д.

К ПЗУ принято относить энергонезависимые постоянные и «полупостоянные» запоминающие устройства, из которых оперативно можно только считывать информацию, запись информации в ПЗУ выполняется вне ПК в лабораторных условиях или при наличии специального программатора — в компьютере. По технологии записи информации можно выделить ПЗУ следующих типов:

●микросхемы, программируемые только при изготовлении — классические или масочные ПЗУ или ROM;

● микросхемы, программируемые однократно в лабораторных условиях — программируемые ПЗУ (ППЗУ) или programmable ROM (PROM);

● микросхемы, программируемые многократно — перепрограммируемые ПЗУ или Erasable РВОМ (EPROM). Среди них следует отметить электрически перепрограммируемые микросхемы EEPROM (Electrical Erasable PROM), в том числе флэш-память.

Устанавливаемые на системной плате ПК модули и кассеты ПЗУ имеют емкость, как правило, не превышающую 128 Кбайт. Быстродействие у постоянной памяти меньшее, чем у оперативной, поэтому для повышения производительности содержимое ПЗУ копируется в ОЗУ, и при работе непосредственно используется только эта копия, называемая также теневой памятью ПЗУ (Shadow ROM).

В настоящее время в ПК используются «полупостоянные», перепрограммируемые запоминающие устройства — флэш-память. Модули, или карты, флэш-памяти могут устанавливаться прямо в разъемы материнской платы и имеют следующие параметры: емкость до 512 Мбайт (в ПЗУ BIOS используются до 128 Кбайт), время обращения по считыванию 0,035 — 0,2 мкс, время записи одного байта 2 — 10 мкс. Флэш-память — энергонезависимое запоминающее устройство. Приме- ром такой памяти может служить память NVRAM — Non Volatile RAM со скоростью записи 500 Кбайт/с. Обычно для перезаписи информации необходимо подать на специальный вход флэш-памяти напряжение программирования (12 В), что исключает возможность случайного стирания информации. Перепрограммирование флэш-памяти может выполняться непосредственно с гибкого диска или с клавиатуры ПК при наличии специального контроллера, либо с внешнего программатора, подключаемого к ПК. Флэш-память бывает весьма полезной как для создания весьма быстродействующих, компактных, альтернативных НМД запоминающих устройств — «твердотельных дисков», так и для замены ПЗУ, хранящего программы BIOS, позволяя прямо с «дискеты» обновлять и заменять эти, программы на более новые версии при модернизации ПК.

Логическая структура основной памяти

Структурно основная память состоит из миллионов отдельных однобайтовых

ячеек памяти. Общая емкость основной памяти современных ПК обычно лежит

в пределах от 16 Мбайт до 512 Мбайт. Емкость ОЗУ на один-два порядка превышает емкость ПЗУ: ПЗУ занимает 128 Кбайт, остальной объем — это ОЗУ. Каждая ячейка памяти имеет свой уникальный адрес. Для ОЗУ и ПЗУ отводится, единое адресное пространство.

Адресное пространство определяет максимально возможное количество непосредственно адресуемых ячеек основной памяти. Адресное пространство зависит от разрядности адресных шин, поскольку максимальное количество адресов определяется разнообразием двоичных чисел, которые можно отобразить в и разрядах, то есть адресное пространство равно 2", где и — разрядность адреса. За основу в ПК взят 16-разрядный адресный код, равный по длине размеру машинного слова. При помощи 16-разрядного представления адреса можно непосредственно адресовать всего 2'e = 65 536 = 64 Кбайт ячеек памяти. Это 64-килобайтовое поле памяти, так называемый сегмент, также является базовым в логической структуре ОП. Следует заметить, что в защищенном режиме размер сегмента может быть иным и значительно превышать 64 Кбайт.

Современные ПК (кроме простейших бытовых компьютеров) имеют основную память, емкостью существенно больше 1 Мбайт. Но память до 1 Мбайт является еще одним важным структурным компонентом ОП — назовем ее непосредственно адресуемой памятью (справедливо полностью только для реального режима). Для адресации 1 Мбайт = 2" = 1 048 576 ячеек непосредственно адресуемой памяти необходим 20-разрядный код, получаемый в ПК при помощи специальной структуризации адресов ячеек ОП.

Абсолютный (полный, физический) адрес  формируется в виде суммы нескольких составляющих, чаще всего используемыми из которых являются: адрес сегмента и адрес смещения.

Адрес сегмента (А_сегм) — это начальный адрес 64-килобайтового поля, внутри которого находится адресуемая ячейка.

Адрес смещения (А_см) — это относительный 16-разрядный адрес ячейки внутри сегмента.

А_сегм должен быть 20-разрядным, но если принять условие, что А_сегм должен быть обязательно кратным параграфу (в последних четырех разрядах должен содержать нули), то однозначно определять этот адрес можно 16-разрядным кодом, «увеличенным» в 16 раз, что равносильно дополнению исходного кода справа 4 нулями и превращению его, таким образом, в 20-разрядный код. То есть условно можно записать:

А_абс,— — 16 х А_сегм +А_см.

Для удобства программирования и оптимизации ряда операций микропроцессоры ПК поддерживают еще две составляющие смещения: адрес базы и адрес индекса. Следует отметить, что процессор ПК может обращаться к основной памяти, используя только абсолютный адрес, в то время как программист может использовать все составляющие адреса, рассмотренные выше.

В современных ПК существует режим виртуальной адресации (Virtual — мнимый, кажущийся, воображаемый). Виртуальная адресация применяется для увеличения адресного пространства ПК при наличии ОП большой емкости (простая виртуальная адресация), или при организации виртуальной памяти, в которую наряду с ОП включается и часть внешней (обычно дисковой) памяти. При виртуальной адресации вместо начального адреса сегмента А_сегм в формировании абсолютного адреса А_абс, принимает участие много разрядный адресный код, считываемый из специальных таблиц. Принцип простой виртуальной адресации можно пояснить следующим образом. В регистре сегмента содержится не А_сегм а некий селектор, имеющий структуру:

______________________________________________________________

ИНДЕКС                   F                     СЛ

______________________________________________________________

где СЛ — вспомогательная служебная информация; F — идентификатор, определяющий тип таблицы дескрипторов для формирования А (таблицы дескрипторов создаются в ОП при виртуальной адресации автоматически):

● если F О, то используется глобальная таблица дескрипторов (GDT ), общая для всех задач, решаемых в ПК в многозадачном режиме;

● если F 1, то используется локальная таблица дескрипторов (LDT), создаваемая для каждой задачи отдельно.

В соответствии с индексом и идентификатором из GLT или LDT извлекается - 64-битовая строка, содержащая, в частности, и адрес сегмента. Разрядность этого адреса зависит от размера адресного пространства микропроцессора, точнее равна разрядности его адресной шины. Подобная виртуальная адресация используется в защищенном режиме работы микропроцессора. Для большей плотности  размещения информации в оперативной памяти (уменьшения сегментированности,  характерной для многозадачного режима) часто практикуется сегментно-страничная адресация, при которой поля памяти выделяются программам внутри сегментов страницами размером от 2 до 4 Кбайт. Формирование сегментно-страничной, структуры адресов выполняется автоматически операционной системой. Виртуальная память создается при недостаточном объеме оперативной памяти,  не позволяющем разместить в ней сразу всю необходимую информацию для выполняемого задания. При загрузке очередной задачи в оперативную память необходимо выполнить распределение машинных ресурсов, в частности оперативной памяти, между компонентами одновременно решаемых задач (в принципе, ' оперативной памяти может не хватить и для решения одной сложной задачи). При подготовке программ в их код заносятся условные адреса, которые должны быть затем привязаны к конкретному месту в памяти. Распределение памяти может выполняться или в статическом режиме до загрузки программы в ОП, или в динамическом режиме автоматически в момент загрузки программы или в процессе ее выполнения. Статическое распределение памяти весьма трудоемко, поэтому применяется редко. Если очевидно, что реальная память меньше требуемого программой адресного пространства, программист может вручную разбить программу на части, вызываемые в ОП по мере необходимости — создать  оверлейную структуру программы. Обычно же используется режим динамического распределения памяти.

При динамическом распределении памяти в случае недостаточной емкости ОП полезно воспользоваться виртуальной памятью. В режиме виртуальной памяти пользователь имеет дело не с физической ОП, действительно имеющейся в ПК, а с виртуальной одноуровневой памятью, емкость которой равна всему адресному пространству микропроцессора. На всех этапах подготовки программы, включая ее загрузку в оперативную память, в программе используются виртуальные адреса, и лишь при непосредственном исполнении машинной команды выполняется преобразование виртуальных адресов в реальные физические адреса ОП.

При этом реально программа может размещаться частично в ОП, частично во внешней памяти на жестком диске.

Технология организации виртуальной памяти следующая. Физические оперативная и дисковая (привлеченная к задаче) память и виртуальная память разбиваются на страницы одинакового размера по 4 Кбайт. Страницам виртуальной и физической памяти присваиваются номера, которые сохраняются одними и теми же на весь период решения задачи. Операционная система формирует две таблицы:

 ● страниц виртуальной памяти,

 ● физического размещения страниц,

и устанавливает логические связи между ними (рис. 6.2).

На рис. 6.2 видно, что физические страницы могут находиться в текущий момент времени как в оперативной, так и во внешней памяти. Из внешней памяти виртуальные страницы автоматически перемещаются в оперативную только тогда, когда к ним происходит обращение. При этом они замещают уже отработавшие страницы. Страничные таблицы для каждой программы формируются операционной системой в процессе распределения памяти и изменяются каждый раз, когда физические страницы перемещаются из ВЗУ в ОП. Виртуальная память может иметь и сегментно-страничную организацию. В этом случае виртуальная память делится сначала на сегменты, а внутри них на страницы. Принцип организации такой памяти аналогичен рассмотренному выше.

Для ПК характерно стандартное распределение непосредственно адресуемой памяти между ОЗУ и ПЗУ (рис. 6.3).

Основная память в соответствии с методами обращения и адресации делится на отдельные, иногда частично или полностью перекрывающие друг друга области, имеющие общепринятые названия. В частности, обобщенно логическая структура основной памяти ПК общей емкостью 64 Мбайт представлена на рис. 6.4.

Прежде всего, основная память компьютера делится на две логические области: непосредственно адресуемую память, занимающую первые 1024 Кбайт ячеек с адресами от 0 до 1024 Кбайт — 1, и расширенную память, доступ к ячейкам которой возможен при использовании специальных программ-драйверов или в защищенном режиме работы микропроцессора.

Драйвер — специальная программа, управляющая работой памяти или внешними устройствами компьютера и организующая обмен информацией между МП, ОП и внешними устройствами компьютера.

Стандартной памятью (СМА — Conventional Memory Area) называется непосредственно адресуемая память в диапазоне от 0 до 640 Кбайт.

Непосредственно адресуемая память в диапазоне адресов от 640 Кбайт до 1024 Кбайт  называется верхней памятью (UMA — Upper Memory Area или UMB — Upper Memory Blocks). Верхняя память зарезервирована для служебной памяти (ранее называлась видеопамятью дисплея) и постоянного запоминающего устройства.

В служебной памяти формируются участки-4окна», используемые при помощи  драйверов в качестве оперативной памяти общего назначения.

Расширенная память — память с адресами 1024 Кбайт и выше. В реальном режиме имеются два основных способа доступа к этой памяти:

● по спецификации XMS (память ХМА — Extended Memory Аrеа);

● по спецификации EMS (память ЕМА — Expanded Memory Area).

Доступ к расширенной памяти согласно спецификации XMS (Extended Meтоrу Specification) организуется при помощи специального драйвера (например, XMM — eXtended Memory Manager) путем пересылки по мере необходимости отдельных полей ХМА в свободные области верхней памяти (UMA). Эту память иногда называют дополнительной.

Спецификация EMS (Expanded Методу Specification) является более ранней. Согласно этой спецификации доступ реализуется не путем пересылки, а лишь путем отображения по мере необходимости отдельных полей Expanded Memory в свободные области верхней памяти. Отображение организуется путем динамического замещения адресов полей ЕМА в «окнах» UMA размером 64 Кбайт, разбитых на 16-килобайтовые страницы. В окне UMA хранится не обрабатываемая информация, а лишь адреса, обеспечивающие доступ к этой информации. Память, организуемая по спецификации EMS, носит название отображаемой. Поэтому сочетание слов Expanded Memory (ЕМ) иногда переводят как отображаемая память (хотя термин Expanded почти идентичен термину Extended и более точно переводится как расширенный, увеличенный). Для организации отображаемой памяти при работе в реальном режиме процессора необходим драйвер ЕММ.ЕХЕ (Expanded Memory Manager). Отображаемая память медленная и поэтому она постепенно уступает место Extended Memory.

В реальном режиме расширенная память может быть использована главным образом для хранения данных и некоторых программ ОС. Часто расширенную память используют для организации виртуальных (электронных) дисков. Исключение составляет НМА, которая может адресоваться и непосредственно при использовании драйвера HIMEM.SYS (High Memory Manager). Область НМА может использоваться для хранения любой информации, в том числе и программ пользователя. Возможность непосредственной адресации высокой памяти обусловлена особенностью сегментной адресации ячеек ОП, поскольку в этой концепции максимально возможный адрес ячейки памяти с непосредственной адресацией формируется из максимально возможного адреса сегмента FFFFF, то есть 10242 — 1 — верхняя граница непосредственно адресуемой верхней памяти, плюс максимально возможный адрес смещения в этом сегменте РРРР — получаем верхнюю границу непосредственно адресуемой высокой памяти.

Внешние запоминающие устройства

Устройства внешней памяти, или, иначе, внешние запоминающие устройства

(ВЗУ), весьма разнообразны. Их можно классифицировать по целому ряду признаков: по виду носителя, по типу конструкции, по принципу записи и считывания информации, по методу доступа и т. д. При этом под носителем понимается материальный объект, способный хранить информацию.

Один из возможных вариантов классификации ВЗУ приведен на рис. 6.5. В зависимости от типа носителя все ВЗУ можно подразделить на накопители на магнитной ленте и дисковые накопители.

Накопители на магнитной ленте, в свою очередь, бывают двух видов: накопители на бобинной ленте и накопители на кассетной ленте (стримеры). В ПК используются только стримеры. Накопители на дисках более разнообразны (табл. 6.3):

● накопители на гибких магнитных дисках (НГМД) — накопители на флоппи- дисках или дискетах;

● накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД) — винчестеры;

● накопители на сменных жестких магнитных дисках, использующие эффект Бернулли;

● накопители на флоптических дисках — floptical-накопители;

● накопители сверхвысокой плотности записи (Very High Density) — VHD-накопители;

● накопители на оптических компакт-дисках (Compact Disk ROM) — CD-ROM;

● накопители на оптических дисках с однократной записью и многократным

чтением (Continuous Composite Write Once, Read Many;) — СС WORM;

● накопители на магнитооптических дисках — НМОД;

● накопители на цифровых видеодисках (Digital Versatile Disk) — DVD и др.

Магнитные диски (МД) относятся к магнитным машинным носителям информации. В качестве запоминающей среды у них используются магнитные материалы со специальным свойством (прямоугольная петля гистерезиса), позволяющим фиксировать два направления намагниченности, которым ставятся в соответствие двоичные цифры: 0 и 1. На рис. 6.6 показана логическая структура МД.

Накопители на МД (НМД) являются наиболее распространенными внешними запоминающими устройствами в ПК. Они бывают жесткими и гибкими, сменными и встроенными в ПК. Все диски, и магнитные, и оптические, характеризуются своим диаметром, или, иначе, форм-фактором. Наибольшее распространение получили диски с форм-факторами 3,5 дюйма (89 мм). Но существуют диски и с форм- факторами 5,25 дюйма (133 мм), 2,5 дюйма (64 мм), 1,8 дюйма (45 мм) и другие.

Информация на магнитные диски (МД) записывается и считывается магнитными головками вдоль концентрических окружностей — дорожек (треков). Количество дорожек на МД и их информационная емкость зависят от типа МД, конструкции накопителя на МД, качества магнитных головок и магнитного покрытия. Совокупность дорожек МД, находящихся на разных пластинах-дисках и на одинаковом расстоянии от его центра, называется цилиндрам. При записи и чтении информации МД вращается вокруг своей оси, а механизм управления магнитной головкой подводит ее к дорожке, выбранной для записи или чтения информации. Устройство для чтения и записи информации на магнитном диске называется дисководом.  Кроме основной своей характеристики — информационной емкости — дисковые накопители характеризуются и двумя другими показателями:

● временем доступа;

● скоростью считывания последовательно расположенных байтов. Время доступа (access time) к информации на диске, то есть время, которое дисковод тратит до начала чтения-записи данных, складывается из нескольких составляющих:

● времени перемещения магнитной головки на нужную дорожку (seek time);

● времени установки головки и затухания ее колебаний (setting time);

● времени ожидания вращения (rotation latency) — ожидания момента, когда из-за вращения диска нужный сектор окажется под головкой.

Диски относятся к машинным носителям информации с прямым доступом. Понятие прямой доступ применительно к диску означает, что ПК может «обратиться» к дорожке, на которой начинается участок с искомой информацией или куда нужно записать новую информацию, непосредственно, где бы ни находилась головка чтения-записи накопителя. После доступа к информации происходит ее последовательное считывание — хорошие дисководы обеспечивают скорость считывания (transferrate) 2 Мбайт/с и выше.

Рассматривая организацию данных на внешних носителях, следует различать физическую и логическую организацию. Физическая организация определяет правила размещения данных на внешних носителях, логическая — описывает взаимные связи между данными и способы доступа к ним. Поскольку при работе на компьютере пользователь практически взаимодействует только с файлами, необходимо подробнее познакомиться с организацией файловой системы.

Файлы, их виды и организация

Файлом называется именованная совокупность данных на внешнем носителе информации. В ПК понятие файла применяется в основном к данным, хранящимся на дисках (реже на кассетной магнитной ленте), и поэтому файлы обычно отождествляют с участком (областью, полем) памяти на этих носителях информации.

Поэтому возможно такое определение: файл — именованная область внешней памяти, выделенная для хранения массива данных. Данные, содержащиеся в файлах, имеют самый разнообразный характер — программы на алгоритмическом или машинном языке; исходные данные для работы программ или результаты выполнения программ; произвольные тексты; графические изображения и т. п. Понятие файла в операционной системе (ОС) обобщается на внешние устройства и блоки компьютера (логические устройства), работающие с массивами данных: принтер, клавиатуру, дисплей, оперативную память (виртуальные диски) и т. д. Файловой системой (ФС) называется совокупность программ, обеспечивающая выполнение операций над файлами. В настоящее время в ОС для ПК используются десятки файловых систем: в DOS — FAT16, FAT32 и FAT12 для гибких дисков (FAT —  Allocation Table, таблица размещения файлов), для Windows 9х характерны FAT16 и FAT32, популярной в Windows NT и Windows 2000 является NTFS, для OS/2 — HPFS, для ОС - Ext2FS и т. д. Наибольшее распространение получили файловые системы DOS: FAT16 и FAT32. Некоторые их особенности и различия будут рассмотрены ниже.

В общем случае при программировании работы с файлами необходимо производить:

● задание и указание области ОЗУ для ввода-вывода информации файла;

● чтение информации (считывания записей) из файла;

● запись информации (включение записей) в файл;

● создание файла (присвоение файлу имени, проверку уникальности этого имени файла, формирование атрибутов и т. д.);

● изменение атрибутов файла;

● открытие файла (отыскание файла на диске и перенос в ОЗУ атрибутов файла);

● закрытие файла (сохранение на диске атрибутов файла для дальнейшего использования);

● переименование файла;

● удаление файла.

При доступе по идентификатору ASCIIZ, кроме этого, необходимо выполнять

процедуру установки указателя текущей записи.

В зависимости от версии системы набор таких операций может меняться, но при этом всегда обеспечивается возможность создания и удаления файлов, а также чтение их содержимого и запись информации в них. Файловая система включает в себя также:

 ● правила образования имен файлов и способов обращения к ним;

 ● иерархическую систему оглавления файлов;

 ● структуру хранения файлов на дисках;

 ● методы доступа к содержимому файлов.

Файлы могут создаваться в двух форматах: двоичном и текстовом.

Двоичный файл состоит из последовательности байтов, обычно сгруппированных в логические записи фиксированной длины. В двоичных файлах хранятся исполняемые программы и данные во внутреннем (двоичном, кодовом) представлении. Файлы с исполняемыми программами при их запуске должны иметь определенную структуру, что операционная система обязательно анализирует. При выводе двоичного файла на дисплей или принтер прочесть его содержимое невозможно, так как при этом считываемые 8-разрядные двоичные коды (байты) переводятся в произвольные графические символы, звуковые сигналы или вообще не воспринимаются, если данный код не имеет графического представления и никак на устройство не действует.

Текстовый файл (файл ASCII) состоит из последовательности строк переменной длины, каждая из которых является логической записью файла. Каждая строка содержит только текстовые символы и завершается маркером конца строки. Текстовым символом может быть любой символ ASCII, но, в отличие от двоичных файлов, последовательность символов в текстовом файле непосредственно воспринимается человеком на экране или принтере. Текстовый файл может содержать текст программы на алгоритмическом языке (ассемблер, Basic и т. д.), таблицу, исходные и результирующие данные решения задач, документы, научные сообщения и т. п. Роль маркера конца строки играет символ возврата каретки (код 13 ASCII), за которым, возможно, следует символ перевода строки (код 10 ASCII). Текстовый файл завершается обычно маркером конца файла, роль которого играет код 26 ASCII.

Некоторые программные продукты (текстовые редакторы, системы управления базами данных и другие) создают файлы, близкие к текстовым, но содержащие дополнительные управляющие символы, а иногда часть информации и в двоичном коде. При выводе таких файлов на экран или принтер средствами DOS появляются символы редактирования и/или описания баз данных. Однако при интерпретации этих файлов средствами текстового редактора или СУБД, их создавших, они выводятся в удобочитаемом виде. С каждым файлом связываются:

● полное имя файла;

● атрибуты (характеристики) файла;

● дата создания файла;

● время создания файла;

● длина файла.

Полное имя файла в общем случае состоит из двух частей:

● идентифицирующей — имени файла;

● классифицирующей — расширения.

Расширение, определяющее тип файла, может отсутствовать.

В имени файла может быть от 1 до 8 символов в DOS и от 1 до 255 символов в последних версиях Windows; Оно является обязательным элементом и должно всегда указываться при доступе к файлу. Расширение содержит от 1 до 3 символов и отделяется от имени файла символом а» (точка). Хотя операционная система разрешает в имени файла и расширении наличие разных символов, рекомендуется использовать буквы латинского алфавита и цифры, а имя начинать обязательно с буквы. При назначении имен файлам рекомендуется образовывать их так, чтобы они отражали смысловое содержание файла. Расширение указывает тип файла, причем некоторые из расширений являются стандартными для операционной системы, например:

● EXE (EXEcutable — исполняемый) — файл-программа на машинном языке, готовая к выполнению;

● COM (Command) — файл-программа на машинном языке, готовая к выполнению (небольшая программа);

● ВАТ (BATch — пачка, группа) — пакетный исполняемый командный файл;

● SYS — системный файл;

● BAS — файл-программа на языке BASIC;

● PRG — файл-программа на языке ШВАБЕ;

● ASM — файл-программа на языке ассемблер;

● ТХТ — текстовый файл;

● DOC — текстовый файл Word;

● XLS — файл электронных таблиц Excel;

● ВАК — копия файла, создаваемая при перезаписи оригинала;

● ARJ — архивный файл;

● ZIP — архивный файл.

Приведенный выше список расширений содержит наиболее часто встречающиеся расширения и является далеко неполным. В трансляторах, системных программах

и пакетах прикладных программ применяются расширения, являющиеся стандартными для конкретного программного продукта. Применение стандартных расширений в именах файлов позволяет компьютеру автоматически выбирать нужную процедуру обработки файла по укороченному сигналу (например при нажатии клавиши Enter).

Операционная система предоставляет средства для указания не одного, а сразу  группы существующих на диске файлов путем задания шаблонов имени. Шаблоном является имя файла, в котором используются символы-заменители, называемые также символами подстановки или маской. Шаблон обозначает не единственный файл, а группу файлов, имена и/или расширения которых сопоставляются с данным шаблоном.

Операционная система использует в шаблонах глобальные символы. Вопросительный знак (?) в имени файла (расширении) означает, что в данной позиции может стоять любой (но только один!) допустимый символ. В имени файла (расширении) может быть несколько вопросительных знаков. Если символ ? стоит в конце имени или расширения, то в этой позиции может быть пусто. Например: PROG?.ЕХЕ — это шаблон исполняемого файла, имя которого начинается с букв PROG и содержит в пятой позиции любой допустимый символ. Этими файлами могут быть PROG1.ЕХЕ, PROGA.ЕХЕ, PROG.ЕХЕ и т. п. Звездочка (') в имени (расширении) файла означает, что на ее месте, начиная с этой позиции и до конца имени (расширения), могут стоять один или несколько любых допустимых символов или присутствие символов не обязательно (пусто). В имени или расширении допускается только по одному символу, и все символы, следующие за ним, игнорируются.

Например, ASM — все файлы с расширением ASM; Progace файлы с именем Prog с любым расширением; *.* — все файлы с любыми расширениями; АВС*.D? — все файлы, имена которых начинаются с АВС, а расширения начинаются с буквы D и имеют в его второй позиции любой допустимый символ, например, ABCRK.DA, АВС.D1, АВС1.D.

Шаблоны удобно использовать в командах DOS и при работе с программными оболочками (например, Norton Commander или Windows Commander) для поиска, копирования, перемещения и удаления групп файлов.

Управление файлами

Доступом называется обращение к файлу с целью чтения или записи в него информации.

Файловая система поддерживает два типа доступа к файлам:

● последовательный метод доступа;

● прямой (непосредственный) метод доступа. При последовательном доступе записи из файла считываются подряд, строго в порядке их расположения в файле. Поэтому чтобы обратиться (получить доступ) к определенной записи, необходимо читать все предыдущие. При прямом доступе обеспечивается непосредственное обращение к записи по ее номеру в файле. Механизм доступа к файлу и его записям при программировании также имеет два варианта:

● доступ к файлу с использованием специальной таблицы — управляющего блока файла;

● доступ к файлу по идентификатору.

Управляющий блок файла (FCB — File Control Block) содержит следующую информацию:

● номер (букву) дисковода, где установлен диск с файлом;

● имя файла и его расширение;

● текущий номер блока в файле;

● длину записи в байтах;

● размер файла в байтах;

● дату последней модификации файла;

● относительный номер записи (текущий номер);

● номер записи и т. д.

Некоторые из вышеназванных параметров требуют дополнительного пояснения; Файл состоит из блоков, объединяющих по 128 записей в каждом. Относительный номер записи — это порядковый номер записи в блоке. Текущий номер блока и относительный номер записи используются при последовательном доступе к записям файла. Номер записи — это параметр, объединяющий номер блока и относительный номер записи в блоке, он используется при произвольном доступе к записям файла; Важный параметр — длина записи (точнее длина логической, кажущейся записи, которая может отличаться от длины физической записи ввиду наличия различных служебных элементов в структуре записи и файла). Длина записи используется при определении числа байтов, пересылаемых при обмене информацией с ОЗУ и при определении положения записи внутри блока. Блок FCB позволяет получать доступ к файлам только в текущем каталоге. Идентификатор файла — ASCIIZ-строка, идентифицирующая файл. ASCIIZ (ASCII-zero) строка содержит следующую информацию:

● номер (логическое имя) дисковода и путь к файлу (если нужно);

● имя файла и его расширение;

● нулевой байт (zero-байт). (. Использование FCB для обращения к файлу позволяет реализовать и произвольный и последовательный методы организации доступа, но часто оказывается довольно сложным, поэтому в версиях MS DOS, начиная с DOS 2.0 и выше, введено обращение к файлу по идентификатору, которое чаще всего и применяется на практике, если не требуется выполнять детализированные процедуры с отдельными дорожками и секторами диска. Каждый файл и в случае использования FCB, и в случае использования ASCIIZ должен иметь свой файл атрибута, или просто атрибут.

Атрибуты файлов

Атрибут — это классифицирующий файл признак, определяющий способ его использования, права доступа к нему и т. д. ОС DOS допускает задание следующих элементов в атрибуте:

● R (Read only) — файл предназначен только для чтения и не может быть ни удален, ни изменен. При попытке обновить или уничтожить такой файл системными средствами (при помощи программ DOS) будет выдано сообщение

об ошибочных действиях. Атрибут устанавливается для защиты от случайного изменения или уничтожения;

● Н (Нidden) — скрытый файл. Игнорируется многими командами DOS. При просмотре каталога командой DIR сведения о скрытом файле обычно не выдаются;

● S (System) — системный файл. Системные файлы предназначены для работы операционной системы или работы внешних устройств ПК;  

● А (Archive) — еще не архивированный файл. Этот атрибут позволяет определить, было ли произведено резервное копирование файла (создание его резервной копии в специальном формате). Атрибут А присваивается каждому вновь создаваемому файлу и сбрасывается (уничтожается) при создании: резервной копии файла.

Файлу могут быть присвоены одновременно любые из перечисленных атрибутов или ни один из них.

К группе атрибутов файла можно условно отнести пароль, обеспечивающий разграничение доступа к файлам.

Логическая организация файловой системы

Упорядочение файлов, хранящихся в дисковой памяти, называется логической организацией файловой системы. Основой логической организации являются каталоги. Каталогом называется специальный файл, в котором регистрируются другие файлы. Наряду с термином «каталог» в сообщениях DOS и ее документации для идентификации этого файла используются также термины «раздел», «директория». В каталоге содержится вся информация, характеризующая входящие в него файлы, и сведения о том, в каком месте диска файл расположен. В частности, в каталоге поддерживаются следующие параметры файла: имя, расширение, атрибуты, размер в байтах, дата и время создания или последнего обновления, номер начального кластера размещения файла. Сам же файл хранится как последовательность байтов без каких-либо дополнительных справочных сведений.

Каталог, в свою очередь, может входить в другой каталог — быть его подкаталогом. Каталог верхнего уровня, который не является подкаталогом, называется корневым каталогом (Root Directory). Место для корневого каталога резервируется при форматировании (разметке) диска и имеет стандартный размер— 3584 байта (то есть вмещает не более 112 записей по 32 байта, а если больше, то их предварительно надо объединить в подкаталоги). Корневой каталог не может быть удален средствами операционной системы.

Каждый элемент (файл или подкаталог) корневого каталога имеет размер 32 байта и включает 8 полей, для файлов это:

● имя файла — 8 байтов;

 ● расширение имени файла — 3 байта;

 ● атрибут файла — 1 байт;

● резерв — 10 байтов;

 ● время создания или последней модификации файла (час, минута, секунда)

8 байтов;

● дата создания или последней модификации файла (год, месяц, день) — 2 байта;

● номер кластера, с которого начинается файл на диске, — 2 байта (в РАТ16);

● фактическая длина файла в байтах — 4 байта.

Каталог — это файл специального формата, содержащий записи о файлах и каталогах, которые ему подчинены. Каталог, который входит в другой каталог, называется подкаталогом, или дочерним каталогом. В свою очередь каталог, имеющий, дочерние каталоги, называется родительским каталогом, или надкаталогом. Как правило, если это не вызывает путаницы, употребляют термин «каталог», подразумевая или подкаталог, или надкаталог в зависимости от контекста. Термины «подкаталог» (дочерний каталог) и «надкаталог» (родительский каталог) обычно, применяют, когда речь идет о собственно структуре каталогов. Подкаталоги могут создаваться и уничтожаться пользователем. Правила наименования подкаталогов такие же, как и правила наименования файлов, но имена подкаталогов не имеют расширений. Каталог, не содержащий никаких файлов, называется пустым. Каждый диск хранит свою файловую структуру, которая формируется по следующим правилам:

● файл или каталог может входить с одним и тем же именем в один и тот же каталог только один раз;

● допускается вхождение в различные каталоги файлов и каталогов с одинаковыми именами;

● на порядок следования файлов и подкаталогов в каталоге никаких ограничений не накладывается;

● глубина вложенности каталогов не ограничивается.

Файловая система обеспечивает формирование иерархической многоуровневой файловой структуры, в корне которой находится корневой каталог, а узлами  и листьями являются каталоги и файлы. Рассмотрим пример дерева каталогов (рис. 6.7). Здесь в состав корневого каталога включены подкаталоги ASM, VIR и DB, содержащие файлы компиляторов, программ антивирусной защиты и данных. В свою очередь, подкаталог ASM содержит компилятор языка ассемблер  masm.ехе и подкаталог ASMPROG, в котором находятся файлы с программами на этом языке. Подкаталог VIR содержит файлы aidstest.ехе и dir.ехе. В подкаталоге. DB расположены файлы базы данных.

Объединение файлов в каталоги не означает, что они каким-либо образом сгруппированы в одном месте на диске. Более того, один и тот же файл может быть разбросан (фрагментирован) по всему диску. Сведения о местонахождении отдельных частей файла хранятся в таблице размещения файлов (FAT — File Allocation Table), находящейся на том же диске.

Спецификация файла

Для того чтобы операционная система могла обратиться к файлу, необходим указать:

● диск;

● каталог;

● полное имя файла.

Эта информация наличествует в спецификации файла, которая имеет следующий формат: 

Квадратные скобки означают, что элементы, заключенные в них, могут отсутствовать. Сами квадратные скобки являются синтаксическими знаками и в спецификации файла не используются. Между элементами спецификации и внутри них (исключая имя и расширение файла) не должно быть пробелов.

Элемент drive (дисковод) обозначает диск, на котором находится файл или куда он записывается, например А:, В:, С:, D: и т. д. Если дисковод не указан, то по умолчанию используется текущий диск. Текущий диск — это диск, с которым в настоящий момент работает операционная система (ОС). Текущий диск устанавливается автоматически после загрузки ОС и может быть переустановлен командой операционной системы. Имя текущего диска всегда выводится в подсказке на экране.

Рай,(путь) — это каталог или последовательность каталогов, которые необходимо пройти по дереву каталогов к тому каталогу, где находится файл. Имена в пути записываются в порядке от корневого каталога и разделяются символом «~». Путь может начинаться символом «~»: в этом случае поиск файла начинается с корневого каталога. Путь может начинаться символами «..»: тогда поиск файла начинается с предшествующего надкаталога. Если путь опущен, то по умолчанию подразумевается текущий каталог. Путь состоит из корневого каталога и подкаталога VIR.

Masm.ехе — файл masm.ехе отыскивается на текущем диске в текущем каталоге. Текущим каталогом должен быть каталог ASM. (Если текущий каталог ASMPROG, то годится спецификация.)

Дисковод и путь могут не указываться при обращении к файлам типа СОМ, ЕХЕ или ВАТ, даже если диск и каталог не являются текущими. В этом случае сведения о диске и пути указываются в команде PATH, включаемой в файл Autoexec.bat. Для стандартных символьных внешних устройств ПК (они выступают здесь как логические устройства) предусмотрены постоянные имена (правда, без расширений), позволяющие обращаться к ним как к файлам:

● PRN или LPT1 (2, 3) — принтер;

● CON — консоль (клавиатура при вводе и дисплей при выводе);

● COMА (2, 3, 4) — дополнительные символьные внешние устройства;

● NUL  фиктивное устройство; обычно используется при отладке программ пользователей.

Размещение информации на дисках

Дорожки диска разбиты на секторы (рис. 6.6). В одном секторе дорожки обычно размещается 512 байт данных. Обмен данными между НМД и ОП осуществляется последовательно кластерами. Кластер — это минимальная единица размещения информации на диске, состоящая из двух или большего числа смежных секторов дорожки (кластеры называют также единицами выделения памяти— allocation unit). Поэтому, если необходимо разместить на диске маленький файл, например размером 20 байт, он все равно займет дисковое пространство размером в кластер (минимум 2 x 512 = 1024 байт).

Количество секторов в кластере всегда равно целой степени 2. Таблица FAT16 в 16-ти битах должна быть способна отображать значение максимального номера кластера, то есть количество кластеров на диске (или в разделе диска) не больше, чем 2'~ = 65 536. По причине выхода за пределы 16-битовой адресации внутри кластера его максимальный размер должен быть меньше 64 Кбайт, то есть 32 Кбайт. В FAT16 размер кластера (а косвенно и количество кластеров) можно определить, разделив объем памяти диска на 64 Кбайт (65 536) и округлив результат до ближайшего большего числа, кратного степени двойки. Так, для диска емкостью 1,2 Гбайт размер кластера составит: 1 258 291,2/65,5 = 19,2 Кбайт, после округления получим 32 Кбайт; для дисков объемом 2 Гбайт размер кластера будет равен 64 Кбайт, а для 2,5-гигабайтовых дисков — более 64 Кбайт, что недопустимо. Иными словами, FAT16 практически может работать только с дисками емкостью не более 2 Гбайт.

Поэтому была разработана более мощная 32-разрядная файловая система FAT32. В ней количество секторов и количество кластеров могут быть одинаковыми и ограничено значением 2. Хотя размер кластера с целью экономии дискового пространства можно было бы приравнять размеру сектора, это не сделано по причине большого объема самой FAT — таблицы размещения файлов (напомню, что по имени этой таблицы называют и всю файловую систему целиком), которая для диска, например, емкостью 10 Гбайт будет иметь размер 80 Мбайт (а таких файлов на диске должно быть несколько, включая страховые копии). Одна из таблиц при наличии кэш-памяти для диска загружается в ОП. Поэтому размеры кластеров в FAT32 приняты в соответствии с табл. 6.4.

Таблица 6.4. Размеры кластеров в FAT32

___________________________________________________________________________

Емкость диска, Гбайт                               Размер кластера, Кбайт

___________________________________________________________________________

До 8                                                               4

До 16                                                             8

До 32                                                             16

Более 32                                                        32

___________________________________________________________________________

Кластеры, выделяемые одному файлу, могут находиться в любом свободном месте дисковой памяти и необязательно являются смежными. Файлы, хранящиеся в разбросанных по диску кластерах, называются фрагментированными.

Адресация информации на диске

Используются следующие системы адресации информации на МД:

● в BIOS — трехмерная: номер цилиндра (дорожки), магнитной головки (стороны диска), сектора;

● в DOS — последовательная сквозная нумерация секторов, начиная от внешнего 0-ro цилиндра (дорожки), головки 0, сектора 1.

На каждом диске можно выделить 2 области: системную и данных. Системная область диска (начинается с 0 дорожки, стороны 0, сектора 1) состоит из 3 участков.

● Главной загрузочной записи (MBR — Master Boot Record), самого первого

сектора диска, в котором описывается конфигурация диска: какой раздел (логический диск) является системным (из системного раздела возможна загрузка операционной системы), сколько разделов на этом диске, какого они объема.

● Таблицы размещения файлов (FAT — File Allocation Table), содержащей код формата и полную карту принадлежности секторов файлам. FAT организована в виде списка кластеров (они нумеруются от 2 до N + 1, где N — полное число кластеров на диске), для каждого кластера в таблице указывается шестнадцатеричный код: FFF1-FFF7 — кластер дефектный, 0002-FFFO — кластеры, используемые файлом (код соответствует номеру кластера, где продолжается текущий файл), FFFS -— РРРР — кластер содержит последнюю часть файла, 0000 — кластер свободен (все коды указаны для FAT16).

Для каждого файла в корневом каталоге (3-я зона системной области) указывается номер его начального кластера, а в этом начальном и следующих кластерах в FAT указываются, соответственно, следующие кластеры файла, и так до последнего, где указан код FFFF. Таблица размещения файлов крайне важна, так как без нее последовательно читать файл на диске (особенно если кластеры файла записаны не подряд, а через промежутки, занятые другими файлами) становится невозможно. Поэтому для надежности FAT на диске дублируется. Когда файл на диске удаляется, все его кластеры маркируются как свободные, но сами данные файла не удаляются (затираются только после записи на их место других данных) — то есть удаленные файлы можно восстановить (команда UNDELETE DOS, утилита UNERASE в пакете Norton Utilities).

● Корневой каталог диска — список файлов и/или подкаталогов с их параметрами. Параметры файла, содержащиеся в корневом каталоге: имя, расширение, атрибут, размер в байтах, дата и время создания или последнего обновления, номер начального кластера. Структура записи параметров файла в корневом каталоге показана в табл. 6.5 (для FAT16).

В области данных расположены подкаталоги и сами данные. На жестких дисках

системная область создается на каждом логическом диске.

Накопители на жестких магнитных дисках

Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД, жесткие диски, Hard Disk Drive — HDD) представляют собой устройства, предназначенные для длительного хранения информации. В качестве накопителей на жестких магнитных дисках широкое распространение в ПК получили накопители типа винчестер. Термин «винчестер» является жаргонным названием первой модели жесткого диска емкостью 16 Кбайт (IBM, 1973 год), имевшего 30 дорожек по 30 секторов, что случайно совпало с калибром 30/30 известного охотничьего ружья auwecmep. В этих накопителях один или несколько жестких дисков, изготовленных из сплавов алюминия или из керамики и покрытых ферролаком, вместе с блоком магнитных головок считывания-записи помещены в герметически закрытый корпус. Под дисками расположен двигатель, обеспечивающий вращение дисков, а слева и справа — поворотный позиционер с коромыслом, управляющим движением магнитных головок по спиральной дуге для их установки на нужный цилиндр. Емкость винчестеров благодаря чрезвычайно плотной записи, выполняемой магниторезистивными головками в таких герметических конструкциях, достигает нескольких десятков гигабайтов; быстродействие их также весьма высокое: время доступа от 5 мс, трансфер до 6 Гбайт/с. Магниторезистивные технологии обеспечивают чрезвычайно высокую плотность записи, позволяющую размещать 2 — 3 Гбайт данных на одну пластину (диск). Появление же головок с гигантским магниторезистивным эффектом (GMR — Giant Magnetic Resistance) еще более увеличило плотность записи — возможная емкость одной пластины возросла до 6,4 Гбайт.

НЖМД весьма разнообразны. Диаметр дисков чаще всего 3,5 дюйма (89 мм). Наиболее распространенная высота корпуса дисковода: 25 мм — у настольных ПК, 41 мм — у машин-серверов, 12 мм — у портативных ПК, существуют и другие. Внешние дорожки диска длиннее внутренних. Поэтому в современных жестких дисках используется метод зонной записи. В этом случае все пространство диска делится на несколько зон, причем во внешних зонах секторов размещается больше данных, чем во внутренних. Это, в частности, позволило увеличить емкость жестких дисков примерно на 30%.

Внешний вид НМЖД со снятой крышкой показан на рис. 6.8.

Есть два основных режима обмена данными между HDD и ОП:

● Programmed Input/Output (PIO — программируемый ввод-вывод);

PIO - это режим, при котором перемещение данных между периферийным устройством (жестким диском) и оперативной памятью происходит с участием центрального процессора. Существуют следующие режимы передачи: PIOO, PIO1, PIO2, PIO3, PIO4. Причем PIOO самый «медленный», а PI04 — самый «быстрый» (16,6 Мбайт/с). Режимы PIO в современных ПК используются редко, поскольку сильно загружают процессор.

DMA — это режим, в котором винчестер напрямую общается с оперативной памятью без участия центрального процессора, перехватывая управление шиной. Режимы DMA при интерфейсах IDE поддерживают протоколы SW (SingleWord— однословный) и MW (MultiWord — многословный»), обеспечивающие трансфер до 66 Мбайт/с (при протоколе М7КЗ DMA). При интерфейсах SCSI может быть достигнута более высокая скорость передачи. Так, наиболее популярный сейчас интерфейс Ultra2Wide SCSI (Ultra2 означает работу на тактовой частоте 40 Mц; Wide — ширину шины 16 битов) обеспечивает пропускную способность 80 Мбайт/с, при этом можно подключать до 15 накопителей к одному контроллеру интерфейса. А технология FC-AL (Fibre Channel Arbitrated Loop), использующая оптоволоконные каналы связи для жестких дисков SCSI, обеспечивает, трансфер 200 Мбайт/с и возможность подключения до 256 устройств (используется, естественно, не в IIK, а в больших системах и в дисковых массивах — RAID). Время доступа к информации на диске напрямую связано со скоростью вращения дисков. Стандартные скорости вращения для интерфейса IDE — 3600, 4500, 5400 и 7200 оборотов/мин; при интерфейсе SCSI используются скорости до 10 000 и даже до 12 000 оборотов/мин. При скорости 10 000 оборотов/мин среднее время доступа составляет 5,5 мс. Для повышения скорости обмена данными процессора с дисками НЖМД следует кэшировать. Кэш-память для дисков имеет то же функциональное назначение, что и кэш для основной памяти, то есть служит быстродействующим буфером для' кратковременного хранения информации, считываемой или записываемой на диск. Кэш-память может быть встроенной в дисковод, а может создаваться программным путем (например, драйвером Microsoft Smartdrive) в оперативной памяти. Емкость кэш-памяти диска обычно составляет 2 Мбайт, а скорость обмена данными процессора с кэш-памятью достигает 100 Мбайт/с.

Для того чтобы получить на магнитном носителе структуру диска, включающую в себя дорожки и секторы, над ним должна быть выполнена процедура, называемая физическим, или низкоуровневым, форматированием (physical, или low-level formatting). В ходе выполнения этой процедуры контроллер записывает на носитель служебную информацию, которая определяет разметку цилиндров диска на секторы и нумерует их. Форматирование низкого уровня предусматривает и маркировку дефектных секторов для исключения обращения к ним в процессе эксплуатации диска.

Существует и технология SMART (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology) — технология самотестирования и анализа, осуществляющая автоматическую проверку целостности данных, состояния поверхности дисков, перенос информации с критических участков на нормальные и другие операции без участия пользователя. Кроме того, при появлении и нарастании серьезных ошибок SMART своевременно выдает сообщение о необходимости принятия мер по спасению данных.

В ПК имеется обычно один, реже несколько накопителей на жестких магнитных дисках. Однако в MS DOS программными средствами один физический диск может быть разделен на несколько «логических» дисков; тем самым имитируется несколько НМД на одном накопителе.

Большинство современных накопителей имеют собственную кэш-память емкостью от 2 до 8 Мбайт.

Среди последних новинок заслуживают внимания HDD компании 1-0 Data, представившей в декабре 2002 года три модели емкостью 250 Гбайт: внутренний накопитель UHDI 250 с интерфейсом Ultra АТА-133 и внешние накопители: HDA-IU 250 с интерфейсом USB 2.0 и HDA-IE 250 с интерфейсом IEEE 1394. Внешние HDD относятся к категории переносных.

В последнее время переносные накопители (их также называют внешними, мобильными, съемными, а портативные их варианты — карманными — Pocket HDD) получили широкое распространение. Питание переносных жестких дисков выполняется либо от клавиатуры, либо по шине USB (возможный вариант— через порт PS/2).

Переносные жесткие диски весьма разнообразны: от обычных HDD в отдельных корпусах до стремительно набирающих популярность твердотельных дисков.

Размеры корпуса могут быть разными. Например: 219 х 155 х 44 мм, 143 х 87 х х 27 мм, 126 х 75 х 15 мм и др. Форм-фактор дисков чаще всего 2,5 дюйма, а ем- кость от 1 до 60 Гбайт.

Компания Соrniсе Inc. (США) готовится к выпуску в конце 2003 года одно дюймовых винчестеров емкостью 1,5 Гбайт.

Переносить большие массивы данных с одного компьютера на другой позволяют также оптические накопители CD-R, CD-RW, DVD-R, DVD-RW и DVD-RAM. Их носители обеспечивают перенос больших массивов данных с одного компьютера на другой. Кроме того, в силу относительно высокой производительности эти накопители можно использовать в тех же целях, что и обычные стационарные жесткие. Такие устройства могут применяться и для решения задач резервного копирования информации.

Перечислим наиболее популярные типы съемных пакетов дисков и дисководов.

Jaz 1Gb, Jaz 2Gb

Модели Jaz 1Gb, Jaz 2Gb, разработанные компанией Iomega (Jaz 1 поддерживают жесткие диски емкостью 1 Гбайт, а дисководы Jaz 2Gb — диски емкостью 1 Гбайт и 2 Гбайта). Iomega Jaz 2Gb-дисководы отличаются более высокой скоростью работы. Пиковая скорость передачи данных имеет величину 20 Мбайт/с, средняя скорость равна примерно 7 ,5 Мбайт/с, а среднее время доступа — 15,5 — 17,5 мс, скорость вращения двигателя — 5400 оборотов/мин, интерфейс — SCSI. По своим характеристикам устройства Jaz 2Gb ненамного уступают обычным стационарным жестким дискам. Однако максимальный объем дисков ограничен величиной 2 Гбайт. К основным достоинствам этих систем относятся относительно высокое быстродействие, простота установки и эксплуатации, хорошее программное обеспечение. Главным недостатком является высокая цена на дисководы и диски.

Иногда НЖМД со сменными пакетами дисков и НГМД типа Zip называют накопителями Бернулли, поскольку в этих накопителях для минимизации и регулирования зазора между магнитной головкой и носителем — магнитным диском— используется закон Бернулли: давление на поверхность тела, создаваемое потоком движущейся вдоль нее жидкости или газа, зависит от скорости этого потока и уменьшается с увеличением этой скорости. Магнитные головки располагаются над поверхностью эластичных дисков: когда диски неподвижны, они под действием своего веса несколько провисают и отходят от головок, при быстром вращении дисков под действием создающегося разрежения воздуха они притягиваются к головкам почти вплотную, но без их касания. Это обеспечивает минимальное рассеивание магнитного потока головки и позволяет увеличить плотность записи информации на диске.

SyJet

SyJet — дисковод сменных жестких дисков, разработанный компанией SyQuest. Это устройство поддерживает накопители емкостью 1,5 Гбайт, которые производятся по технологии жестких дисков. Один такой накопитель имеет 2 диска, 4 поверхности. Устройства SyJet выпускаются с интерфейсами IDE, LPT, SCSI. Пиковая скорость передачи SyJet превышает 10 Мбайт/с, средняя скорость составляет 7 Мбайт/с. Самым медленным является внешний дисковод с интерфейсом LPT, поскольку его скорость обмена определяется исключительно скоростью обмена параллельного порта. Среднее время доступа для устройств SyJet  11 — 12 мс. Скорость вращения двигателя равна 5400 оборотов/мин.

SparQ

SparQ -устройство, разработанное компанией SyQuest. Поддерживает диски емкостью 1 Гбайт. Существуют накопители с интерфейсами IDE, SCSI, LPT, USB. Для всех систем  среднее время доступа составляет 12 мс, а частота вращения шпинделя — 5400 оборотов/мин. Пиковая скорость передачи данных для устройств IDE при пакетной передаче достигает 16,6 Мбайт/с. Обычная скорость имеет величину порядка 3,7 — 6,9 Мбайт/с.

EZFlyer

EZFlyer — дисковод сменных жестких дисков, разработанный компанией SyQuest. Это устройство поддерживает картриджи емкостью 230 Мбайт. Существуют внешние устройства с интерфейсами SCSI и LPT, а также внутренние с интерфейсом IDE. Среднее время доступа для EZFlyer составляет 13,5 мс, а частота вращения двигателя дисковода — 3600 оборотов/мин. Максимальная скорость передачи данных может доходить до 16,6 Мбайт/с.

Shark 250

Shark 250 — дисковод сменных жестких дисков компании Avatar, поддерживающий диски емкостью 250 Мбайт. Производятся устройства с интерфейсами LPT и РС Card. Данные устройства имеют очень маленькие габариты и малый вес (320 г). Для систем с интерфейсом РС Card скорость передачи данных составляет 2 Мбайт/с, а для систем с LPT — 1,25 Мбайт/с. Среднее время доступа: для таких устройств равно 12 мс.

Orb

Orb — устройство, разработанное компанией Castlewood. Этот накопитель поддерживает 3,5-дюймовые сменные диски емкостью 2,2 Гбайт. Максимальная скорость передачи информации составляет 12,2 Мбайт/с. Среднее время поиска — 10 — 12 мс. Выпускаются устройства с интерфейсами LPT, USB, IDE, SCSI и IEEE 1394. Дисководы Orb бывают как внутренние, так и внешние. В силу большой емкости дисков, высокой производительности и относительно низкой стоимости по сравнению с Jaz 2Gb, системы Orb составляют серьезную конкуренцию изделиям компании Iomega.

IBM Microdrive

IBM Microdrive — миниатюрный накопитель на жестком диске форм-фактора 2,5 дюйма, предложенный фирмой IBM. Емкости современных моделей находятся в диапазоне от 1 до 40 Гбайт. Питание осуществляется от клавиатуры или по шине USB. Скорость вращения дисков — 4500 оборотов/мин, скорость передачи данных — 800 Кбайт/с. Отличаются сравнительно высоким потреблением энергии. Подключаются через разъем Compact Flash.

ZIV1, ZIV2

ZIV — весьма изящный миниатюрный дисковый накопитель форм-фактора 2,5 дюйма со специальным контроллером, подключаемым к интерфейсам USB 1.1 (ZIV1) или USB 2.0 (ZIV2). Типовой размер корпуса 118 х 72 х 11 мм, вес 130 г. Это действительно карманный жесткий диск, легко умещающийся в верхнем кармане рубашки.

Первые накопители ZIV фирмы Hyundai появились в России в 2001 году и имели емкость 10 Гбайт. Сейчас (2003 год) на рынке присутствуют модели ZIV1 емкостью 10, 15, 20, 30 Гбайт и накопители ZIV2 емкостью 10, 20, 30, 40 и 60 Гбайт. Питание накопителя осуществляется через интерфейс USB, но есть дополнительный шнур для подключения к порту PS/2. USB обеспечивает подключение устройств по технологии Plug and Play (или, как указывается в рекламных объявлениях, — подключение «на летун).

Скорость обмена данными у ZIV1 составляет 1,5 Мбайт/с, у ZIV2 — до 18 Мбайт/с.

Устройства флэш-памяти

Флэш-диски (Flash Disks) — весьма популярный и очень перспективный класс энергонезависимых запоминающих устройств. Флэш-диски (твердотельные диски) являются модификацией HDD и представляют собой устройства для долго- временного хранения информации с возможностью многократной перезаписи.

Стирание и запись данных осуществляется так же, как у HDD — блоками (иногда называемыми по аналогии с магнитными дисками секторами, но более правильно было бы их именовать кластерами).

У флэш-дисков отсутствуют какие-либо подвижные части, да и форма у них совсем не круглая — чаще всего они представляют собой прямоугольные картриджи.

Для хранения информации в них используются специализированные микросхемы памяти с металлизацией (металл-нитридные), выполненные по технологии Flash, изобретенной в начале 80-х годов в фирме Intel. Дисками их называют условно, поскольку флэш-диски полностью эмулируют функциональные возможности HDD. При работе указатели в микросхеме перемещаются на начальный адрес блока, затем байты данных передаются в последовательном порядке с использованием стробирующего сигнала. Стирание содержимого всего блока выполняется одномоментно отдельным сигналом (отсюда, вероятно, и название памяти flash — вспышка); тотальное стирание было специально организовано разработчиками, поскольку первоначально флэш-память применялась в военных приборах, и при обнаружении попыток несанкционированного доступа к ним необходимо было сразу уничтожать все данные — система автоматически генерировала внутренний сигнал стирания),

По существу, флэш-диски — это «полупостоянные» запоминающие устройства, стирание, считывание и запись информации в которых выполняется электрическими сигналами (в отличие от прочих ПЗУ, в которых эти действия производятся лучом лазера или чисто механически — «перепрошивкой»). Количество циклов перезаписи информации в одну и ту же ячейку у флэш-памяти ограничено, но оно обычно превышает 1 миллион — эта величина иногда указывается в паспорте микросхемы. В современных устройствах имеются программные или аппаратные средства формирования виртуальных блоков, обеспечивающие запись информации поочередно в разные области флэш-памяти так, чтобы число циклов стирания и записи было равномерно распределено по всем блокам диска. Это существенно увеличивает срок службы флэш-памяти: ее работоспособность сохраняется сотни лет.

Емкость современных флэш-дисков, изготовленных на основе многоуровневых ячеек (MultyLevel Cell, MLС) на базе логических схем NAND («Не-И», штрих Шеффера), достигает нескольких гигабайтов при крайне миниатюрных размерах.

Флэш-диски обладают высочайшей надежностью — среднее время наработки на отказ (Mean Типе Between Failures — MTBp) у них составляет, как правило, более миллиона часов; они устойчивы к механическим ускорениям и вибрациям, работают в широком диапазоне температур (от — 40 до +85 'С).

Во время выполнения операций чтения-записи флэш-диски обычно потребляют не более 200 мВт электроэнергии и, естественно, не шумят.

Скорость считывания информации составляет несколько мегабайтов в секунду, скорость записи несколько ниже (эти значения зависят от типа флэш-памяти и ее интерфейса).

Линейку чипов (ИС) многоцелевой флэш-памяти на базе Super Flash (SF) представила компания Silicon Storage Technology. Эти чипы могут использоваться

в КПК, в Bluetooth-устройствах и в оборудовании для беспроводных сетей. Четырех мегабитовые чипы имеют время доступа 90 нс, время стирания сектора — 36 мкс, стирание всей ИС занимает 140 мкс. Потребление тока в активном режиме — 5 мА, в режиме ожидания — 1 мкА при напряжении 1,95 В. Чипы выпускаются в разных исполнениях — в 48-контактных корпусах: TFBGA (6 х 8 х 1 мм), WFBGA (4 х 6 х 0,63 мм), XFLGA (4 х 6 х 0,47 мм).

Конструктивно флэш-диски могут быть выполнены в виде микросхемы. Например, флэш-диск Disk on Chip 2000 фирмы М-Systems представляет собой DIP- микросхему с 32 контактами (современные ROM BIOS выполняются также на основе флэш-памяти в виде обычной микросхемы). Микросхемы Disk on Chip емкостью до 128 Мбайт используются в ПК.

Сейчас выпускаются чипы Disk on Chip третьего поколения. Так, корпорации М-Systems и Toshiba в 2002 году анонсировали флэш-накопитель Mobile Disk on Chip G3, изготовленный в виде многоуровневой ячейки по технологии NAND. Емкость построенного по нормам 0,13 мкм чипа равна 64 Мбайт. Поддерживается прямой доступ к памяти (DMA) и режим Multy Burst, обеспечивающий скорость чтения 80 Мбайт/с. Имеются встроенные алгоритмы коррекции ошибок. Toshiba и SanDisk начнут выпуск 90-нм флэш-памяти типа NAND (256 — 512 Гбайт) в 2004 году — ее разработка закончена. Ныне самую большую емкость имеет чип 2 Гбит, 130 нм.

Многие производители предусматривают на своих системных платах гнезда для установки флэш-чипов. Интерфейс для их подключения аналогичен интерфейсу ПЗУ BIOS.

Флэш-диски в настоящее время выпускаются многими фирмами, с различными интерфейсами и в разных конструктивных исполнениях. Они могут быть не только внешними дисками ПК, но и устанавливаться внутри системного блока. В качестве фиксированной памяти используются флэш-карты, выполненные в виде печатных плат, предназначенных для непосредственной установки в разъемы системной платы компьютера. Они способны работать с системными и локальными интерфейсами ПК (ISA, PCI и др.). Значительно чаще флэш-память используется в качестве альтернативных HDD твердотельных дисков. В этом случае востребованы периферийные интерфейсы АТА (IDE), Serial АТА, USB, IEEE 1394 и др. Широкое применение флэш-диски нашли в цифровых фото- и видеокамерах.

Конструктивных вариантов исполнения флэш-дисков существует много.

● АТА Flash, (РС Card АТА). Карты этого формата имеют емкость до 1 Гбайт, габарит

ы 85,6 Ч 54 Ч 33 мм, они снабжены 68-контактным разъемом (совместим со стандартным разъемом PCMCIA ноутбука) и АТА-контроллером. Благодаря последнему обеспечивается эмуляция обычного жесткого диска. Имеется несколько типов PC Card: Typef, Туре2, Туре3, отличающихся толщиной: 3,3; 5,0 и 10,5 мм соответственно:

● Туре1 обычно используется как фиксированная память;

● Туре2, кроме того, может выполнять функции модема или сетевой карты;

● Туре3 чаще всего эмулирует жесткие диски.

● Compact Flash (CF) имеют две модификации: Compact Flash Туре1 (CF1)

и Compact Flash Туре2 (CF2).

● Compact Flash Туре1, пожалуй, самый распространенный сейчас (на 2002 год) формат. Он разработан в 1994 году фирмой SanDisk и имеет размеры 42,8 х 36,4 х 3,3 мм, вес 10 г, соответствующие спецификации PCMCIA, но его 50-контактный торцевой разъем входит в противоречие с этой спецификацией (при подсоединении к ноутбуку требуется переходник на 68-контактный разъем). Емкость карт CF1 составляет до 512 Мбайт. Скорость чтения карт CF1, выпущенных в 2002 году компанией Netac, составляет 1 Мбайт/с, а скорость записи — 0,9 Мбайт/с.

● Compact Flash Туре2 (CF2) имеют толщину 5 мм, что позволило увеличить их емкость до 4 Гбайт. Скорость чтения-записи — 1,4 Мбайт/с. Упрощенным вариантом CF могут считаться Miniature Саги, имеющие почти такие же габаритные размеры (38 х 33 х 3,5 мм), но у них нет внутреннего контроллера для эмуляции HDD (то есть эти карты используются как обычная память).

● Smart Мела (SM) — твердотельный диск, предложенный в 1998 году компанией Toshiba. Габариты устройства 45,5 х 37 х 0,76 мм, вес — 2 г. Разъем имеет 22 контакта. Внутреннего контроллера у диска нет. Емкость современных SM не превосходит 128 Мбайт, скорость обмена — 512 Кбайт/с.

● xD-Picture — усовершенствованный вариант SM, размер карты 25 х 20 х х 1,7 мм, вес — 2 r (это самые миниатюрные карты памяти на начало 2003 года). Емкость — 256 Мбайт, в ближайшее время ожидаются карты компании Fuji Photo Film емкостью 512 Мбайт, в дальнейшем прогнозируются и до 8 Гбайт. Скорость передачи до 3 Мбайт/с.

MultiMedia (ММС). Была представлена фирмами SanDisk и Siemens в конце 1997 года. Емкость карт до 256 Мбайт, размер 32 х 24 х 1,4 мм, вес— 2 г. Скорость чтения данных до 2 Мбайт/с, записи — до 512 Кбайт/с.

●Secure Digital Card (SD) улучшенный вариант карт ММС, предложенный

в 1999 году компанией Matsushita Electric Industrial Со Ltd (торговая марка Panasonic). Это один из самых перспективных форматов хранения информации во флэш-памяти. Размер карт 32 х 24 х 2 1 мм, вес около 2 r, емкость современных SD варьируется от 32 до 1024 Мбайт, скорость обмена — 6 Мбайт/с. Карта оборудована 9-контактным разъемом, имеется возможность защиты от несанкционированного доступа по паролю и переключатель для защиты от случайной записи или стирания. Флэш-карта от Matsushita (2003 год) имеет емкость 1 Гбайт, скорость обмена 20 Мбайт/с; в 2004

году обещана карта емкостью 2 Гбайт, а в 2005 году — версии карт на 4 Гбайт и далее на 8 и 16 Гбайт. Карты SM, ММС, SD первоначально разрабатывались для использования в цифровых фото- и видеокамерах. Сейчас для них выпускаются дисководы для подключения к компьютерам. Например, компания TDK Marketing представила миниатюрные считыватели серии Media Reader с интерфейсом USB2 для флэш-карт форматов SD, ММС, CF и IBM Microdrive (питание через шину USB).

● Miniature Card (ViniCard) — тип этой флэш-памяти нашел применение в органайзерах и сотовых телефонах. Их емкость всего 64 Мбайт, размеры 33 x 32 х 2,8 мм.

● Memory Stick (появились в 1998 году, емкость до 256 Мбайт, размеры 50 x х 21 5 x 2,8 мм) применяются в основном в цифровых и видеокамерах. Но фирма Sony рекламирует их в качестве универсальных устройств памяти и оснащает ими многие свои изделия, в частности, портативные, в том числе и карманные персональные компьютеры. Компания 1-0 Data представила считыватели карт MSRW с интерфейсом USB2 для флэш-карт формата Memory Stick. Габариты MSRW 56 x 72 х15 5 мм, вес — 25 г.

Дисковые массивы RAID

В машинах-серверах баз данных и в суперкомпьютерах часто применяются дисковые массивы RAID (Redundant Array of Inexpensive Disks — массив недорогих дисков с избыточностью), в которых несколько запоминающих устройств на жестких дисках объединены в один большой накопитель, обслуживаемый специальным RAID-контроллером. Отличительной особенностью RAID-массивов является то, что в них используются основанные на введении информационной избыточности методы обеспечения достоверности информации, существенно повышающие надежность работы системы (при обнаружении искаженной информации она автоматически корректируется, а неисправный накопитель в режиме Plug and Play замещается исправным).

В качестве концепции компоновки дисковых массивов RAID была впервые представлена в 1987 году инженерами из калифорнийского университета в Беркли, которые описали пять уровней конфигурации RAID (RAID 1-5). Позже к ним были добавлены RAID 0 и RAID 6.

● 0-й уровень осуществляет расщепление дисков (disk stripping), записывая данные в виде дорожек поочередно на каждом диске массива без контроля четности. Это единственный уровень, не обеспечивающий устойчивость к отказам;

● 1-й уровень подразумевает два диска, второй из которых является точной копией (зеркальной) первого. Метод RAID 1 подходит для системных и загрузочных разделов;

● 2-й уровень использует несколько дисков специально для хранения контрольных сумм и обеспечивает самый сложный функционально и самый эффективный метод исправления ошибок;

● 3-й уровень включает четыре диска: три являются информационными, а последний хранит контрольные суммы, предназначенные для исправления ошибок в первых трех; 

● 4-й и 5-й уровни используют диски, на каждом из которых хранятся свои собственные контрольные суммы;

● 6-й уровень — RAID 5, дополненный резервными дисковыми контроллерами, вентиляторами, шинами и др.

Дисковые массивы второго (RAID6, RAID 7) и третьего (RAID 10, RAID 30, RAID 50) поколений используют различные сочетания базовой компоновки.

Имеется и иная современная классификация RAID-массивов. В частности, они разделены на три группы:

● FRDS — Failure Resistant Data System, обеспечивающие защиту данных при сбое компонента системы;

● FTDS — Failure Tolerant Disk System, обеспечивающие непрерывную доступность данных при сбое компонента системы;

● DTDS — Disaster Tolerant Disk System, гарантирующие доступ к данным даже в случае полного выхода из строя одной из систем, находящейся в локальной территориальной зоне.

Современные дисковые массивы могут объединять 160 и более физических дисков любой емкости, формирующих до 320 и более логических дисков; имеют внутренний кэш от 32 до 1000 Мбайт и разъемы для подключения внешних интерфейсов типа SCSI или Fibre Channel. Внутренняя шина контроллера имеет пропускную способность 85 Мбайт/с, при использований Fibre Channel — до 200 Мбайт/с. Информационная емкость дисковых массивов RAID — от 300 до 15 000 Гбайт (типичные параметры: 160 дисков общей емкостью 750 Гбайт). Для сравнения: памяти емкостью 100 Мбайт вполне достаточно, чтобы записать содержимое всех хранилищ Российской государственной национальной библиотеки (бывшей Библиотеки им. Ленина), иными словами, 14 млн. томов по 1600 страниц в каждом, которые протянулись на 100 км шкафов с 10 полками в каждом. Среднее время наработки на отказ в дисковых массивах RAID — сотни тысяч часов, а для 2-го уровня компоновки — до миллиона часов. В обычных НМД эта величина не превышает тысячи часов.

Основные направления улучшения характеристик НЖМД: а использование высокоэффективных дисковых интерфейсов (EIDE, SCSI); CI использование более совершенных магниторезистивных головок, позволяющих увеличить плотность записи и, следовательно, емкость диска и трансфер (без увеличения скорости вращения диска);

● применение зонной записи, при которой на внешних дорожках диска размещается больше данных, чем на внутренних;

● эффективное кэширование диска.

Накопители на гибких магнитных дисках

Накопители на гибких магнитных дисках (НГМД, флоппи-дисководы, Floppy Disk Drive, FDD)) — устройства, предназначенные для записи и чтения информации с гибких магнитных дисков (ГМД, дискет). Дискеты позволяют переносить документы и программы с одного компьютера на другой, а также хранить данные, не используемые постоянно на компьютере.

На гибком магнитном диске магнитный слой наносится на гибкую основу. Используемые в ПК ГМД имеют форм-фактор 5,25 дюйма (133 мм) и 3,5 дюйма (89 мм). Емкость ГМД колеблется в пределах от 180 Кбайт до 2,88 Мбайт.

ГМД диаметром 5,25 дюйма помещается в плотный гибкий конверт, а 3,5-дюймо- вый — в пластмассовую кассету для защиты от пыли и механических повреждений. Конструктивно ГМД диаметром 133 мм изготавливается из гибкого пластика (лавсана), покрытого износоустойчивым ферролаком, и помещается в футляр- конверт. Дискета имеет 2 прорези: центральное отверстие для соединения с дисководом и смещенное от центра небольшое отверстие (обычно скрытое футляром), определяющее радиус-вектор начала всех дорожек на ГМД. Футляр также имеет несколько прорезей: центральное, чуть больше отверстия на дискете; широкое окно для считывающих и записывающих магнитных головок и боковой вырез в виде прямоугольника, закрытие которого липкой лентой, например, защищает диск от записи и стирания информации. Дисководы, поддерживающие 5,25-дюймовые диски, считаются устаревшими, на новые компьютеры не устанавливаются и сейчас встречаются крайне редко.

ГМД диаметром 89 мм имеет более жесткую конструкцию, тщательнее защищен от внешних воздействий (для предохранения поверхности магнитного слоя от повреждения окно для считывания-записи информации в нерабочем состоянии закрыто пружинящей шторкой), но, в принципе, имеет примерно те же конструктивные элементы. Режим запрета записи на этих дисках устанавливается специальным переключателем, расположенным в одном из углов дискеты.

Основные характеристики некоторых типов НГМД приведены в табл. 6.6.

В последние годы появились дискеты с тефлоновым покрытием (например Verbatim Data Life Plus), которое предохраняет магнитный слой из нем информацию от грязи, пыли, воды, жира, отпечатков пальцев и даже от растворителей типа ацетона. Возможная емкость 3,5-дюймового диска Data Life Plus — 2,88 Мбайт. Следует упомянуть и ГМД «Go anywhere», распространяемые у нас в стране под названием «Вездеход», — они также обладают стойкостью к различным внешним воздействиям: температуре, влажности, запыленности.

Основными компонентами наиболее распространенного 3,5-дюймового флоппи- дисковода являются: дискетная рама, внутрь которой вставляется диск; шпиндельный двигатель, обеспечивающий вращение диска с постоянной скоростью 300 оборотов/мин; блок головок с приводом и плата электроники.

Основные функции управления дисководом реализуются встроенным в материнскую плату контроллером FDD. Он осуществляет кодирование информации, поиск дорожек и секторов, синхронизацию, коррекцию ошибок.

Интерфейс дисковода формирует сигналы выбора устройства (интерфейс IDE для IBM PC позволяет подключать к контроллеру до двух устройств FDD), запуска двигателя (двигатель FDD включается только при обращении к диску, в отличие от двигателя HDD, который вращает диск постоянно), перемещения головок на один шаг и т. д. Запись информации на диск осуществляется методом MFM (Modified Frequency Modulation — модифицированная частотная модуляция).

Стандартный формат ГМД типа HD (High Density — высокая плотность)— 80 дорожек на каждой из сторон, 18 секторов по 512 байтов на дорожке. Уплотненный формат — 82 или 84 дорожки, до 20 секторов по 512 байтов или до 11 секторов по 1024 байта. Структура записи данных вдоль дорожки диска показана на рис. 6.9.

Данные содержат служебную и рабочую (данные пользователя) информацию. Служебная информация необходима для синхронизации работы НГМД. Она идентифицирует:

● дорожку и включает домаркерный промежуток (ДМП), маркер начала дорожки (МНД), послемаркерный промежуток (ПМП);

● сектор и включает маркер сектора (МС), доинформационный промежуток (ДИП), маркер данных (МД), данные, контрольные коды (КК), послеинформационный промежуток (ПИП);

● маркер сектора содержит адресный маркер (АМ), адрес дорожки (АД), номер стороны дискеты (НС), адрес сектора на дорожке (АС) и контрольные коды (КК).

Все промежутки заполняются нулевыми байтами и используются для создания временных интервалов при чтении-записи, необходимых системе управления. Маркер или метка — это определенный для каждого признака идентифицирующий код. Контрольные коды вводятся для проверки достоверности информации на дорожке.

В ПК используются также диски с высокой плотностью записи, для более точного позиционирования магнитной головки на поверхности которых используется лазерный луч. По внешнему виду эти диски напоминают 3,5-дюймовые (реже 5,25-дюймовые) диски, но имеют более жесткую конструкцию.

Среди накопителей, использующих такие диски, следует назвать:

● накопители на флоптических дисках;

● накопители сверхвысокой плотности записи;

● дисководы Zip.

Накопители на флоптических дисках

Накопители на флоптических дисках выполняют обычную магнитную запись информации, но, с существенно большей плотностью размещения дорожек на поверхности диска. Такая плотность достигается ввиду наличия на дисках специальных нанесенных лазерным лучом серводорожек, служащих при считывании-записи базой для позиционирования лазерного луча, и, соответственно, магнитной головки, жестко связанной с лазером. Емкость флоптических дисков варьируется от 20,8 до 120 Мбайт, Примером такого дисковода может служить LS-120 — дисковод гибких магнитных дисков с лазерным приводом. Он поддерживает диски емкостью 120 Мбайт, совместим с флоппи-дисководом (со стандартными форматами 1,44 Мбайт). У LS-120 скорость чтения-записи составляет в зависимости от модификации 180 — 500 Кбайт/с для устройств с IDE- и LPT- интерфейсами. Пиковая скорость для SCSI-варианта может достигать 4 Мбайт/с.

Накопители сверхвысокой плотности записи

Накопители сверхвысокой плотности записи (VHD — Very High Density) используют кроме лазерного позиционирования еще и специальные дисководы, обеспечивающие иную технологию записи-считывания: «перпендикулярный» способ записи вместо обычного «продольного». Сейчас выпускаются VHD-диски емкостью 120 — 240 Мбайт; фирма Hewlett — Packard объявила о создании диска емкостью 1000 Мбайт, а фирма IBM — дисков емкостью 8700 Мбайт и 10 800 Мбайт.

Дисководы Zip

Самыми распространенными после флоппи-дисководов (FDD) приводами гибких дисков являются дисководы Zip, разработанные фирмой Iomega в 1995 году. Устройства Zip базируются на традиционной технологии магнитных носителей. Запись-чтение и позиционирование головок опираются на магнитные свойства материала пластины диска. Пластина диска Х1р является гибкой, подобно носителю обычного флоппи-диска. Устройства Zip используют более совершенную систему позиционирования головок и механику привода, что дало возможность значительно увеличить емкость дисков по сравнению с традиционными флоппи-диска- ми. Выпускаются дисководы Zip 100 Мбайт, поддерживающие диски емкостью 100 Мбайт, и Zip 250 Мбайт, которые работают с дисками емкостью 100 Мбайт и 250 Мбайт. Устройства Zip выпускаются с интерфейсами IDE (ATAPI), LPT, SCSI, USB. Дисководы Zip бывают внутренние (internal) и внешние (external). Модели Zip 250 Мбайт с интерфейсами SCSI и ATAPI имеют пиковую скорость передачи данных 2,4 Мбайт/с, остальные — около 1,4 Мбайт/с; среднее время доступа у всех моделей — 29 мс. В комплект поставки устройства Zip входит специализированное программное обеспечение — набор утилит IomegaWare. К основным достоинствам устройств 21р относятся относительно высокое быстродействие, простота установки и эксплуатации, хорошее программное обеспечение. Недостатками устройств Zip являются несовместимость с обычными флоппи-дисководами, температурная нестабильность дисков и невысокая надежность (при неисправности дисковода и при неправильной записи на диск головки дисковода издают щелчки, приводящие к потере данных и повреждению диска).

Форматирование дисков и правила обращения с ними

Каждый новый диск в начале работы с ним следует отформатировать. Форматирование диска — это создание структуры записи информации на ее поверхности: разметка дорожек, секторов, запись маркеров и другой служебной информации. Возможный вариант форматирования зависит от типа диска:

● SS/SD — односторонняя (single sides), одинарной плотности (single density),

● SS/DD — односторонняя, двойной плотности (double density);

● DS/SD — двухсторонняя (double sides), одинарной плотности;

● DS/DD — двухсторонняя, двойной плотности;

● DS/HD — двухсторонняя, высокой плотности (high density), обеспечивающая  максимальную емкость.

Необходимо соблюдать определенные правила обращения с диском:

● не сгибать его;

● не прикасаться руками к магнитному покрытию;

● не подвергать диск воздействию магнитных полей;

● нужно хранить диск в бумажном конверте при положительной температуре;

● надписи на приклеенной этикетке следует делать без нажима карандашом;

●  брать диск за один угол защитного конверта;

● нельзя мыть диск;

● нужно извлекать диск перед выключением ПК;

● вставлять и вынимать диск из дисковода только тогда, когда не горит сигнальная лампочка активности дисковода.

Накопители на оптических дисках

Появившийся в 1982 году благодаря фирмам Philips и Sony оптический компакт- диск произвел кардинальный переворот в области персональных компьютеров и индустрии развлечений. Компакт-диски расширили сферу применения информационных технологий. На сегодняшний день компакт-диск — недорогой, массово воспроизводимый, надежный, одним словом, лучший носитель для звуковых записей, компьютерных игр и мультимедийных программ, установочных пакетов и наборов фотографий.

Сегодня накопители на оптических дисках (НОД) — обязательный атрибут любого персонального компьютера. Большая их емкость в сочетании с весьма высокой надежностью и невысокой стоимостью как дисководов, так и дисков, делает НОД незаменимыми для сохранения и распространения программ (установочных пакетов), а также для долговременного хранения больших объемов информации, баз данных, например. Основными достоинствами НОД являются:

● сменяемость и компактность носителей;

● большая информационная емкость;

● высокая надежность и долговечность дисков и головок чтения-записи (до 50 лет);

● меньшая (по сравнению с НМД) чувствительность к загрязнениям и вибрациям;

● нечувствительность к электромагнитным полям.

Оптические накопители выпускаются в нескольких модификациях.

1. Классические компакт-диски:

● CD-ROM — Compact Disk Read Only Memory, неперезаписываемые лазерно-оптические диски или компакт-диски ПЗУ;

●CD-R — Compact ПЬЙесогдаЫе, компакт-диски с однократной записью (их иногда называют также CD-WORM — CD Write Once, Read Many и CD- WO — CD Write Once);

●CD-RW — CD ReWritable, компакт-диски перезаписываемые, с многократной записью (их раньше называли CD-Е — CD Erasable — стираемые).

2. Цифровые универсальные диски:

● DVD-ROM — Digital Versatile Disk Read Only Memory,неперезаписываемые цифровые универсальные диски;

● DVD-R — DVD Recordable, цифровые универсальные диски с однократной записью;

●DVD-RW — DVD ReWritable или DVD-RAM — DVD Read Access Memory, цифровые перезаписываемые универсальные диски.

Неперезаписываемые лазерно-оптические диски GD-ROM

Массовое распространение получили CD-ROM. Компакт-диск представляет собой пластиковый поликарбонатовый круг диаметром 4,72 дюйма (встречаются компакт-диски и диаметром 3,5; 5,25; 12 и 14 дюймов) и толщиной 0,05 дюйма, с отверстием в центре диаметром 0,6 дюйма и имеет двухслойное покрытие: тончайший отражающий металлический (обычно алюминиевый) слой и лаковое покрытие. Эти диски поставляются фирмой-изготовителем с уже записанной на них информацией (в частности, с программным обеспечением). Запись информации на них возможна только вне ПК, в лабораторных условиях, лазерным лучом большой мощности, который оставляет на поликарбонатной основе CD след — дорожку с микроскопическими впадинами (питами, pits). Питы имеют ширину около 0,5 микрон и следуют друг за другом, образуя единую спиральную дорожку с шагом 1,6 микрона (для сравнения: тонкий человеческий волос имеет диаметр 75 микрон). Каждый пит в зависимости от своей длины может кодировать несколько битов информации. Таким образом создается первичный «мастер-диск». Процесс массового тиражирования CD-ROM по «мастер диску» выполняется путем литья под давлением.

Дорожка на CD, в отличие от магнитных дисков, спиральная и очень узкая. Впадины имеют глубину примерно 5 миллиардных долей дюйма и ширину в 24 миллиардные доли дюйма; плотность дорожек — 16 000 дорожек на дюйм. Длина всей спиральной дорожки около 5 км. В оптическом дисководе ПК информация с дорожки читается лазерным лучом существенно меньшей мощности. Лазерный луч фокусируется на дорожке диска и отражается от выпуклостей питов, меняя свою интенсивность. Отраженный луч улавливается фотоприемником (фото- диодом) оптической читающей головки.

CD-ROM ввиду весьма плотной записи информации имеют емкость от 250 Мбайт до 1,5 Мбайт (наиболее распространенная емкость 650 Мбайт), время доступа (access time) в разных оптических дисках колеблется от 50 до 350 мс, скорость считывания информации — от 150 до 6000 Кбайт/с. Приводы CD-ROM существенно отличаются по скорости передачи данных. Она зависит от двух факторов: плотности записи информации на поверхности диска и скорости вращения диска. Последняя является параметром, указываемым в марке дисковода в виде Nx-коэффициента кратности (data-transfer rate), сообщающего, во сколько раз линейная скорость дисковода превышает так

называемую «единичную» скорость, равную 150 Кбайт/с. Сейчас имеются модели с любыми четными значениями этого коэффициента от двух (2х) до 56 (56х), последние обеспечивают трансфер более 6 Мбайт/с. Следует заметить, что прямой линейной зависимости между коэффициентом кратности и трансфером нет, например реальная скорость CD-ROM с кратностью 50х оказывается обычно намного ниже теоретической— часто соответствующей 40х. Дисководы CD-ROM менее чем с двадцатикратным увеличением скорости не позволят качественно реализовать многие современные технологии мультимедиа, да и многие программные приложения вообще,

 поэтому они сейчас не выпускаются.

Дисковод обеспечивает считывание информации «из глубины» диска, для этого лазер фокусируется не на внешней поверхности, а непосредственно на информационном слое. Грязь и царапины на покрытии, таким образом, оказываются не в фокусе и до определенного предела игнорируются. Кроме того, для обеспечения надежной работы информация на компакт-дисках кодируется с большой избыточностью с использованием корректирующего кода Рида — Соломона (Reed — Solomon code), обеспечивающего возможность восстановления исходной информации при значительном числе ошибок ее считывания.

К первым, не очень скоростным накопителям предъявлялось требование обеспечения минимальной постоянной линейной скорости считывания данных: CD

 используются для хранения аудио- и видеоинформации, а для нормального прослушивания аудиоданных она должна быть не менее 150 Кбайт/с. Это обуславливало переменную угловую скорость. При считывании информации с внутренней части диска она должна быть 500 оборотов/мин, против 200 оборотов/мин при считывании с внешней, то есть должна меняться в 2,5 раза. Таким образом, для обеспечения быстрого переключения между областями диска двигатель должен обладать хорошей динамикой. Скоростные CD-ROM, начиная с коэффициента кратности 12х, обеспечивают трафик нужной минимальной величины в любом месте диска даже при постоянной угловой скорости вращения. Поэтому современные высокоскоростные накопители имеют постоянную угловую скорость и, тем самым, непостоянную линейную.

Таким образом, в низкоскоростных накопителях при считывании (записи) угловая скорость меняется в зависимости от местонахождения считываемого (записываемого) участка дорожки с целью обеспечить постоянную линейную скорость носителя под головкой — этим обуславливается возможность работы с постоянной оптимальной плотностью записываемых данных и высокая емкость дисков. Высокоскоростные устройства лишены этой благоприятной особенности, но высокая емкость дисков обеспечивается в них иными технологическими приемами, в частности, благодаря внедрению технологии CAV (Constant Angular Velocity— постоянная угловая скорость). В этом режиме частота оборотов диска остается постоянной, соответственно на периферийных участках данные считываются с большей скоростью (4 — 7,8 Мбайт/с). Средняя скорость считывания при этом гораздо ближе к минимальным значениям, поскольку запись на диске начинается с внутренних областей.

При выполнении реальных задач разница в производительности приводов, имеющих скорости в диапазоне 24х — 50х, для пользователя практически не ощутима и может быть измерена только специальными тестами. Более скоростные приводы обладают преимуществом лишь в случае считывания большого объема непрерывно расположенных данных, например, при установке программного обеспечения. В настоящее время максимальная достигнутая скорость составляет 56х, то есть примерно 8000 Кбайт/с. Эта величина соответствует частоте вращения 12 000 оборотов/мин. На таких скоростях начинают сильно сказываться дефекты производства дисков — искажения геометрии, неравномерность массы. Чтобы уменьшить паразитные биения, производители прибегают к различным ухищрениям, например оборудуют приводы CD-ROM специальными демпфирующими устройствами.

Следует отметить, что большинство дисководов способно автоматически снижать скорость вращения при появлении большого количества ошибок считывания данных (и не все модели, кстати, способны в дальнейшем при уменьшении числа ошибок ее повышать). Номинальная же скорость, указываемая на дисководе, определяется на эталонном, безошибочном диске, не требующем снижения оборотов. Снижение скорости частично компенсируется наличием в устройствах большого кэша, который, кроме того, хорошо помогает при работе с большим количеством мелких файлов, требующим многократного позиционирования головки считывания-записи. Размер внутренней кэш-памяти, в который считываются данные перед их передачей, в современных накопителях достигает 1 Мбайт, но удовлетворительной величиной является и кэш емкостью 128 Кбайт.

Устройство позиционирования оптической системы ориентируется на специальные метки диска и не требует прецизионной механики, что делает это весьма высокотехнологичное устройство достаточно дешевым в производстве. Изначально  приводы CD-ROM имели свой интерфейс, обычно устанавливаемый на звуковой карте, и умели работать только с ним. Современные дисководы CD-ROM имеют IDE-ATAPI или SCSI-интерфейсы и могут подключаться непосредственно к разъему на материнской плате как IDE- или SCSI-устройства. IDE-ATAPI— более распространенный интерфейс. Большинство современных приводов CD- ROM с данным интерфейсом поддерживает протокол Ultra DMA/33 (UDMA), имеющий скорость передачи 33 Мбайт/с. SCSI-интерфейс обеспечивает скорости передачи данных до 80 Мбайт/с (для спецификации SCSI-3) и подключение максимум до 16 устройств. Область применения дисководов CD-ROM с интерфейсом SCSI — графические станции, серверы и другие мощные системы. Пока только SCSI способен поддержать надежное функционирование систем с подключением нескольких дисководов CD-ROM и их работу в многозадачном режиме. Типовой дисковод состоит из блока электроники, шпиндельного двигателя, системы оптической считывающей головки и системы загрузки диска. В блоке электроники размещены все управляющие схемы привода, интерфейс с контроллером компьютера, разъемы интерфейса и выхода звукового сигнала. Шпиндельный двигатель служит для приведения диска во вращение с постоянной или переменной угловой скоростью. Система оптической головки включает в себя саму головку и устройства ее перемещения. В головке размещены лазерный излучатель на основе инфракрасного лазерного светодиода, система фокусировки, фотоприемник и предварительный усилитель. Лазер имеет длину волны 780 нанометров. Конструкции дисководов предусматривают возможность загрузки как одного, так одновременно и нескольких компакт-дисков. Последний вариант иногда более удобен, но рекомендовать его безоговорочно нельзя: часто в этом случае снижается качество воспроизведения записи и надежность устройства.

Наконец, нужно иметь в виду, что все современные модели CD-ROM позволяют качественно воспроизводить и музыкальные записи. Для этого следует установить в ПК необходимые драйверы (при работе в среде MS DOS, например, это специальная постоянно находящаяся в памяти (резидентная — TSR) программа; при работе под Windows — драйвер CD Audio). В ряде моделей есть кнопка Play для запуска проигрывания аудиодисков. Чаще эта кнопка является двух функциональной (например, Play/Next) и служит также для перехода между звуковыми дорожками. Другая кнопка, Eject, при проигрывании аудиодисков обычно используется для остановки проигрывания без выбрасывания диска. В обычном режиме кнопка Eject служит для загрузки-выгрузки диска. Слушать диски можно как через выход для наушников на передней панели CD-ROM, так и через внешнюю акустическую систему. В последнем случае необходима звуковая карта с усилителем.

Оптические диски с однократной записью

Накопители CD-R позволяют однократно записывать информацию на диски с форм-фактором 4,72 и 3,5 дюйма. Для записи используются специальные заготовки дисков, иногда называемые мишенями (target). На поверхность заготовок нанесено три слоя покрытия: непосредственно на основу диска из поликарбоната нанесен активный (регистрирующий) слой из пластика (с одним из четырех типов красителей: металлоазот — Metal AZO' — торговая марка Verbatim, цианин (cyanine), фталоцианин (phtalocyanine) или наиболее перспективный формазан смесь цианина и фталоцианина); активный слой покрыт тончайшей отражающей пленкой из золота (использовалась в первых моделях, а сейчас в особо надежных моделях) или серебра (дешевле и обладает лучшим светоотражением); сверху все полито слоем защитного лака. Заготовки также имеют нанесенную спиральную дорожку, на которой позиционируется записывающая головка.

При записи лазерный луч непосредственно в дисководе компьютера прожигает необратимые микроскопические углубления — питы (pits) —. в активном слое. Ввиду разницы отражения от ямок и от не выжженных участков поверхности присчитывании происходит модуляция интенсивности отраженного луча, воспринимаемого головкой чтения. Запись в современных CD-R может выполняться на скорости до 12х. Чтение производится лазерным лучом так же, как и у CD-ROM. Дисководы CD-R совместимы с обычными CD-ROM, естественно, при совпадении формата диска.

Оптические диски с многократной записью

Накопители CD-RW позволяют многократно записывать информацию на диски с отражающей поверхностью, под которую нанесен слой типа Ag-In-Sb-Те (содержащий серебро, индий, сурьму, теллур) с изменяемой фазой состояния. Фаза этого пластика, кристаллическая или аморфная, изменяется в зависимости от скорости остывания после разогрева поверхности лазерным лучом в процессе записи, выполняемой непосредственно в дисководе ПК. При медленном остывании пластик переходит в кристаллическое состояние и информация стирается (записывается ); при быстром остывании (если разогрета только микроскопическая точка) элементик пластика переходит в аморфное состояние (записывается «1э). Ввиду разницы коэффициентов отражения от кристаллических и аморфных микроскопических точек активного слоя при считывании происходит модуляция интенсивности отраженного луча, воспринимаемого головкой чтения. Лучшие образцы дисков CD-RW выдерживают несколько сотен циклов перезаписи. Коэффициент кратности скорости при записи информации у современных моделей не превосходит 10х. Читать CD-RW могут только высокочувствительные дисководы (чтение записи выполняется лазерным лучом), поскольку отраженный луч у них значительно слабее (отражающая способность их активного слоя составляет 25 — 30% от уровня обычного CD), нежели у CD-ROM и CD-R. Перезаписываемые диски целесообразно использовать для хранения больших объемов обновляющихся данных (например, для создания резервных копий важной информации) и для обмена данными с другими ПК.

Цифровые диски DVD

Настоящий переворот в технике внешних запоминающих устройств готовы совершить новые, впервые появившиеся в 1996 году цифровые видеодиски, имеющие габариты обычных CD-ROM, но значительно большей емкости, которая у них достигает 24 Мбайт.

Следует отметить, что консорциум 10 фирм, стоящих у истоков разработки DVD (теперь этот консорциум именуется DVD Forum), решил с целью защиты этих дисков от несанкционированного копирования ввести «антипиратское» региональное кодирование информации на DVD. Такое кодирование позволило бы выпускать разные-DVD для разных частей света и даже для отдельных стран: весь мир поделен на 6 зон — к 1-й зоне отнесены США и Япония; Россия, Индия и Африка отнесены к 5-й зоне. Но практика показала, что в России находится в обращении масса пиратских приводов и дисков DVD, закодированных для первой зоны. Даже больше: существуют и так называемые приводы Free, то есть приводы, работающие с дисками, закодированными для любой зоны. DVD — Digital Versatile Disk, цифровой универсальный диск (иногда его называют Digital Video Disk, цифровой видеодиск). Физически DVD-диск — это тот же привычный диск диаметром 4,72 дюйма (существует стандарт также на 3,5 дюйма) и толщиной 0,05 дюйма. Так же как и компакт-диск, он не изнашивается (или почти не изнашивается) со временем, не чувствителен к магнитному и инфракрасному излучениям и мало чувствителен к повышенным температурам. Но в DVD используются однослойная и двухслойная, односторонняя и двух- сторонняя уплотненная запись. Уплотнение записи данных на DVD было достигнуто путем уменьшения диаметра пишущего читающего луча (зелено-голубой лазер) в два раза, при этом уменьшаются сами точки (питы), сокращается расстояние между соседними точками на дорожке и увеличивается количество дорожек. Только за счет повышения плотности записи удалось достичь более чем четырехкратного роста емкости. А за счет других ресурсов, таких как большая область данных, более эффективная битовая модуляция каналов, более эффективное исправление ошибок, меньшее перекрытие секторов, емкость по сравнению с CD увеличилась в семь раз: стандартный однослойный односторонний диск DVD может хранить 4,7 Гбайт данных, двухслойный накопитель имеет емкость в 8,5 Гбайт (относительное уменьшение емкости по сравнению с двухкратной однослойной связано с необходимостью снижения помех, наводимых верхним слоем при считывании нижнего).

Кроме увеличения физической плотности размещения информации на диске, про- изошли изменения и в способах ее представления. Дело в том, что комбинация нулей и единиц двоичного кода записывается на носитель не в виде точек на ровной поверхности, а в виде выемок различной длины, преобразуемых уже системой демодуляции в определенное количество единиц или нулей. Использовавшаяся в CD EFM-модуляция (Eight-То-Fourteen Modulation, модуляция 8/14) была признана устаревшей, и ей на смену пришел несколько модифицированный алгоритм EFM Plus. Опуская подробности, отметим лишь, что подобная модуляция, помимо большей устойчивости к сбоям, дает дополнительный бит экономии на каждые 2 байта информации. Использующийся при этом метод коррекции ошибок (код Рида-Соломона) дает, по некоторым- оценкам, десятикратное увеличение надежности, что немаловажно при том же десятикратном увеличении емкости и потока данных. Данные на дисках DVD организованы иначе, чем на CD. У обычных дисков все данные находятся на одной непрерывной дорожке, в то время как у DVD информация делится на два типа: навигационную и содержательную.

Скорость чтения у DVD лежит в пределах 1,4 — 14 Мбайт/с. Наличие более сложной оптической системы замедляет время доступа к нужной информации на диске от 100 мс у современных CD-ROM до 170 мс — у DVD-ROM. Ситуацию, впрочем, несколько выправляет наращенный до 512 Кбайт кэш, сохраняющий теперь больше считанной в процессе работы информации.

Сегодня, согласно договору между членами DVD Forum, распространены следующие типы DVD:

● DVD-5 (4,72", односторонний диск с одним слоем записи — подобие одностороннего CD-ROM, но с уплотненной записью) — 4,7 Гбайт;

● DVD-9 (4,72", односторонний диск с двумя слоями записи; верхний слой полупрозрачный для лазерного луча, а считывание с нижнего слоя выполняется вторым лазером с отличной от первого длиной волны) — 8,5 Гбайт;

● DVD-10 (4,72", двухсторонний диск с одним слоем записи) — 9,4 Гбайт;

● DVD-18 (4,72", двухсторонний диск с двумя слоями записи) — 17 Гбайт;

● DVD-1 (3,5", односторонний однослойный) — 1,4 Гбайт;

● DVD-2 (3,5", односторонний двухслойный) — 2,7 Гбайт;

● DVD-3 (3,5", двухсторонний однослойный) — 2,9 Гбайт;

● DVD-4 (3,5", двухсторонний двухслойный) — 5,3 Гбайт;

● DVD-R (4,72", односторонний однослойный) — 3,95 Гбайт;

● DVD-R (4,72", двухсторонний однослойный) — 7,9 Гбайт;

● DVD-R (3,5", односторонний однослойный) — 1,23 Гбайт;

● DVD-R (3,5", двухсторонний однослойный) — 2,46 Гбайт;

● DVD-RAM (4,72", односторонний однослойный) — 2,58 Гбайт;

● DVD-RAM (4,72", двухсторонний однослойный) — 5,16 Гбайт. Реально на рынке представлены DVD четырех типов: 5, Я, 10 и 18. Фирма Sony, нарушив договор, заключенный между членами DVD Forum, выпустила двухсторонний, двухслойный DVD с голубым лазером емкостью 24 Гбайт. Самый простой тип записываемого DVD — это DVD-R, который предусматривает однократную запись информации на носитель с последующим многократным чтением. В DVD-R используется органическая полимерная технология, в основном подобная применяемой в CD-R, и этот формат совместим практически со всеми дисководами DVD. На сегодняшний день емкость подобных дисков еще не достигла значений, присущих DVD-ROM, однако принципиальных проблем нет, и в обозримом будущем емкости сравняются. Во всяком случае, формат 4,7 Гбайт DVD-R уже объявлен фирмами Matsushita, Mitsubishi и Hitachi (Maxell). Среди перезаписываемых DVD сегодня конкурируют два равновесомых формата — DVD-RAM и DVD-RW. Первый формат, продвигаемый фирмами Hitachi, Matsushita и Toshiba, поддержан большинством членов DVD Forum (конвенции фирм, стоящих у истоков создания DVD) и, таким образом, официально одобрен. Второй продвигается компаниями Hewlett — Packard, Philips, Ricoh и Sony.

В основе обоих стандартов лежит одна и та же технология изменения фазы. Диск покрыт слоем специального материала, который может находиться в аморфном или кристаллическом состоянии. При этом светоотражающая способность  материала в разных фазах различается примерно на 20%, что позволяет кодировать информацию. Основное различие стандартов в том, каким образом головка накопителя считывает данные с диска. В устройствах DVD-RAM считывающую головку необходимо переключать между. режимами чтения канавки и площадки (пространства между канавками) при каждом обороте диска, в то время как в накопителях DVD-RW информация считывается только с канавки диска так же, как это делается в стандартных дисководах для чтения DVD-ROM.

Существуют и другие форматы перезаписываемых DVD-дисков. Это ASMO (ранее МО7), способный хранить до 6 Гбайт данных, и MMVF (MultiMedia Video" Format) фирмы NEC с емкостью в 5,5 Гбайт. Оба типа дисководов способны читать DVD-ROM и DVD-R, однако несовместимы ни с DVD-RAM, ни с DVD- RW. Ассоциация OSTA (Optical Storage Technology Association, Ассоциация технологий оптических накопителей) разрабатывает спецификацию совместимости DVD — Read Compatibility Speci6cation, которая в идеале будет поддерживать все типы компакт-дисков, в том числе аудиодиски, CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD-ROM, DVD-R, а также (!) DVD-RAM и DVD-RW. Основные достоинства DVD:

● значительно большая по сравнению с CD емкость. В частности, достаточная для хранения полнометражного фильма самого высокого качества;

● совместимость с CD. Устройства DVD-ROM смогут считывать существующие библиотеки данных на CD-ROM;

● DVD-RAM (4,72", односторонний однослойный) — 2,58 Гбайт;

● DVD-RAM (4,72", двухсторонний однослойный) — 5,16 Гбайт. Реально на рынке представлены DVD четырех типов: 5, 9, 10 и 18. Фирма Sony, нарушив договор, заключенный между членами DVD Forum, выпустила двухсторонний, двухслойный DVD с голубым лазером емкостью 24 Гбайт. Самый простой тип записываемого DVD — это DVD-R, который предусматривает однократную запись информации на носитель с последующим многократным чтением. В DVD-R используется органическая полимерная технология, в основном подобная применяемой в CD-R, и этот формат совместим практически со всеми дисководами DVD. На сегодняшний день емкость подобных дисков еще не достигла значений, присущих DVD-ROM, однако принципиальных проблем нет, и в обозримом будущем емкости сравняются. Во всяком случае, формат 4,7 Гбайт DVD-R уже объявлен фирмами Matsushita, Mitsubishi и Hitachi (Maxell). Среди перезаписываемых DVD сегодня конкурируют два равновесомых формата — DVD-RAM и DVD-RW. Первый формат, продвигаемый фирмами Hitachi, Matsushita и Toshiba, поддержан большинством членов DVD Forum (конвенции фирм, стоящих у истоков создания DVD) и, таким образом, официально одобрен. Второй продвигается компаниями Hewlett — Packard, Philips, Ricoh и Sony.

В основе обоих стандартов лежит одна и та же технология изменения фазы. Диск покрыт слоем специального материала, который может находиться в аморфном или кристаллическом состоянии. При этом светоотражающая способность материала в разных фазах различается примерно на 20%, что позволяет кодировать информацию. Основное различие стандартов в том, каким образом головка накопителя считывает данные с диска. В устройствах DVD-RAM считывающую головку необходимо переключать между режимами чтения канавки и площадки (пространства между канавками) при каждом обороте диска, в та время как в накопителях DVD-RW информация считывается только с канавки диска так же,  как это делается в стандартных дисководах для чтения DVD-ROM.

Существуют и другие форматы перезаписываемых DVD-дисков. Это ASMO (ранее МО7), способный хранить до 6 Гбайт данных, и MMVF (MultiMedia Video  Format) фирмы NEC с емкостью в 5,5 Гбайт. Оба типа дисководов способны читать DVD-ROM и DVD-R, однако несовместимы ни с DVD-RAM, ни с DVD- RW. Ассоциация OSTA (Optical Storage Technology Association, Ассоциация технологий оптических накопителей) разрабатывает спецификацию совместимости DVD — Read Compatibility Speci6cation, которая в идеале будет поддерживать все типы компакт-дисков, в том числе аудиодиски, CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD-ROM, DVD-R, а также (!) DVD-RAM и DVD-RW. Основные достоинства DVD:

● значительно большая по сравнению с CD емкость. В частности, достаточная для хранения полнометражного фильма самого высокого качества;

● совместимость с CD. Устройства DVD-ROM смогут считывать существующие библиотеки данных на CD-ROM;

а высокая скорость обмена данными с дисководом DUD; CI высокая надежность хранения данных.

Диски DVD по прогнозам должны в ближайшее время получить широкое распространение не только в компьютерах, но и в аудио- и видеомагнитофонах. В частности, для хранения одного часа усредненного видеофильма требуется приблизительно два гигабайта данных. Но реальное вытеснение на рынке дисками DUD: дисков CD начнется не ранее 2002 года. Основными, локальными интерфейсами для DVD являются интерфейсы IDE-ATAPI, SCSI, USB, Serial АТА.

Для маркировки скоростных характеристик накопителей на оптических дисках часто используется скоростная формула.

В частности, для CD-накопителей она выглядит так: KxMxNx, где: Kx — кратность скорости записи на CD-R; Mx — кратность скорости записи на CD-RW; # — кратность скорости чтения.

В последние годы стали популярными комбинированные приводы, объединяющие накопители CD и DVD. Скоростная формула комбо привода выглядит так: LxKxMxNx, где: Lx — кратность скорости чтения DVD; Kx — кратность скорости ' записи на CD-R; Mx — кратность скорости записи на CD-RW; # — кратность скорости чтения CD.

Однократная скорость для CD равна 150 Кбайт/с, а для DVD — 1350 Кбайт/с.:- Например, формула скорости комбинированного привода 8х12х8х32х означает: скорость чтения DVD 10 800 Кбайт/с; скорость записи на CD-R 1800 Кбайт/с; скорость записи на CD-RW 1200 Кбайт/с; скорость чтения CD — 4800 Кбайт/с.  Фирма Hitachi в 2003 году объявила о новой технологии изготовления многослойных CD, позволяющей на одном диске формата 7,2 дюйма разместить 1 Тбайт = = 1024 Мбайт информации. На диске можно создать до 100 слоев толщиной 0,3 мкм (толщина слоя у DVD — 25 мкм). Ослабление сигнала при работе с внутренними слоями незначительное. «Прозрачность» слоев обеспечивается использованием специальных материалов с изменяемой прозрачностью под действием внешнего электрического сигнала (некоторая аналогия с жидкими кристаллами).

Накопители на магнитооптических дисках

Принцип работы магнитооптического накопителя (Magneto Optical) основан на использовании двух технологий — лазерной и магнитной. Запись информации осуществляется на магнитном носителе, а оптический лазерный луч используется для местного разогрева точки магнитной поверхности. Сущность процессов записи считывания обусловлена следующим. Активный слой на поверхности магнитооптическо

го диска может быть перемагничен магнитной головкой только при высокой температуре. Такая температура (сотни градусов) создается лазерным импульсом длительностью порядка 0,1 мс. При считывании информации вектор поляризации отраженного от поверхности диска лазерного луча на несколько градусов изменяет свое направление в зависимости от направления намагниченности элемента активного слоя. Изменение направления поляризации и воспринимается соответствующим датчиком.

Существуют два типа магнитооптических накопителей:

● с однократной записью, стандарта СС-WORM (Write Once Read Many);

● перезаписываемые CC-Е (Continuous Composite Erasable) стандарта LIMDOW (Light Intensity Modulation/Direct OverWrite).

К основным недостаткам стандартной магнитооптической технологии относится, прежде всего, низкая скорость перезаписи, поскольку данный процесс требует осуществления трех циклов — стирания старых данных, записи новых и проверки. Для уменьшения времени перезаписи цикл проверки, как правило, пропускается. Чтобы еще более увеличить скорость перезаписи, была разработана спецификация OverWrite, которая исключает цикл стирания. Диски стандарта LIMDOW совместимы с этой спецификацией и, таким образом, позволяют повысить суммарное быстродействие.

В магнитооптических накопителях СС-WORM для предотвращения стирания и повторной записи информации на диск на контрольные дорожки наносятся специальные метки.

Магнитооптические накопители имеют два типоразмера: 3,5 и 5,25 дюйма. Marнитооптические диски форм-фактора 5,25 дюйма могут иметь следующие емкости: 650 Мбайт, 1 3 Гбайт, 2,6 Гбайт, 4,6 Гбайт и 5,2 Гбайт. Эти диски являются двухсторонними, то есть запись производится на обе поверхности. В результате общая емкость диска складывается из емкостей двух поверхностей. Магнитооптические диски форм-фактора 3,5 дюйма поддерживают следующие емкости: 128 Мбайт, 230 Мбайт, 540 Мбайт, 640 Мбайт и 1,3 Гбайт; эти диски являются односторонними.

Время доступа у магнитооптических накопителей находится в пределах от 50 до 150 мс, скорость считывания до 3000 Кбайт/с. Магнитооптические накопители в ПК могут быть внутренними и внешними, последние предпочтительнее ввиду значительного тепловыделения. Магнитооптические, диски позволяют переносить большие объемы данных и отличаются высокой степенью надежности. Однако в силу относительно высокой стоимости дисководов и дисков их область применения ограничена профессиональными системами обработки графики, видеомонтажа, верстки и т. п., когда требуются накопление больших объемов данных и обмен ими. Магнитооптические накопители также используются для решения задач резервного копирования. Большинство магнитооптических накопителей имеют интерфейс SCSI.

Накопители на магнитной ленте

Накопители на магнитной ленте были первыми ВЗУ вычислительных

машин. В универсальных компьютерах широко использовались и используются накопители на бобинной магнитной ленте (НМЛ), а в персональных компьютерах— накопители на кассетной магнитной ленте (НКМЛ). Кассеты с магнитной лентой (картриджи) весьма разнообразны: они отличаются как шириной применяемой магнитной ленты, так и конструкцией.

Лентопротяжные механизмы для кассет носят название стримеров — это инерционные механизмы, требующие после каждой остановки ленты ее небольшой перемотки назад (перепозиционирования). Такое перепозиционирование увеличивает и без того большое время доступа к информации на ленте (десятки секунд) поэтому стримеры нашли применение в персональных компьютерах лишь для резервного копирования и архивирования информации с жестких дисков и в игровых компьютерах для хранения пакетов игровых программ.

Объемы хранимой на одной кассете информации постоянно растут. Так, емкость картриджей первого поколения, содержащих магнитную ленту длиной 120 м, шириной 3,81 мм с 2 — 4 дорожками, не превышала 25 Мбайт. В конце 80-х годов  появились картриджи с большей плотностью записи на ленте шириной четверть, дюйма (Quarter Inch Cartridge) (стандарты QIC — 40/80); первые такие картриджи были выпущены фирмой ЗМ — кассеты DC300, емкостью 60 — 250 Мбайт (поэтому этот стандарт часто называют стандартом ЗМ). Последние модели картриджей (стандарт QIC 3010 — 3020) имеют емкость 340 Мбайт, ~80 Мбайт и даже 840 — 1700 Мбайт и более (стандарт QIC 3010 — 3020 Wide, увеличивший ширину магнитной ленты до 0,315 дюйма).

В стандарте Travan используются также 0,315-дюймовые ленты с емкостью картриджа 400 — 4000 Мбайт; в DAT-стримерах (Digital Audio Таре) работает технология спирального сканирования, обеспечивающая очень высокую плотность записи и емкость картриджа до 8 Гбайт. Наконец, наиболее высокие надежность, скорость считывания-записи и емкость картриджа (до 35 Гбайт) обеспечивают стримеры в стандарте DLT (Digital Linear Таре). Стримеры, как правило, имеют собственные средства сжатия данных, поддерживающие столь высокие емкости картриджей. Анонсированы, например, картриджи емкостью 80 и более гигабайтов. Первый НМЛ Model 726 был выпущен фирмой IBM в 1952 году и имел емкость всего 1 4 Мбайт. В мае 2002 года фирма IBM анонсировала картриджи емкостью 1 Тбайт (это примерно в 10 000 раз больше, чем может за всю жизнь сохранить человеческий мозг).

Скорость считывания информации с магнитной ленты в стримерах также не высока и обычно составляет от 100 до 500 Кбайт/с. НКМЛ рассчитаны на периферийные интерфейсы IDE-ATAPI и SCSI. В качестве стримера может быть использован и бытовой видеомагнитофон. Для этого необходимо видеомагнитофон подключить к шине ISA ПК через интерфейсную плату «АрВид» (выпускаемую в России). Эта плата поддерживает на ленте многоуровневую иерархическую систему файлов с каталогами и имеет дружественный для пользователя интерфейс в стиле ОС с текстовыми меню (см. раздел «Операционные системы ПК» главы 10). Емкость стандартной видеокассеты составляет при этом от 1 до 2 Гбайт.

Глава 7. Внешние устройства ПК

Общая характеристика внешних устройств, их состав и классификация были рассмотрены в главе 3. Ниже более подробное внимание обращено на наиболее важные из них: видеотерминальные устройства, клавиатуры, мыши, принтеры, сканеры, плоттеры, дигитайзеры, а также средства мультимедиа.

Видеотерминальные устройства

Видеотерминальные устройства предназначены для оперативного отображения текстовой и графической информации в целях визуального восприятия ее пользователем. Видеотерминал состоит из видеомонитора (дисплея) и видеоконтроллера (видеоадаптера). Видеоконтроллеры входят в состав системного блока ПК (находятся на видеокарте, устанавливаемой в разъем материнской платы), а видеомониторы — это внешние устройства ПК. Видеомонитор, дисплей или просто монитор — устройство визуализации информации на экране. В стационарных ПК пока еще чаще всего экран представляет собой электронно-лучевую трубку (ЭЛТ), в портативных ПК он построен на плоских индикаторах. Видеоконтроллер предназначен для преобразования данных в сигнал, отображаемый монитором, и для управления работой монитора.

Видеомониторы на базе ЭЛТ

В состав монитора входят:

● электронно-лучевая трубка;

● блок разверток;

● видеоусилитель;

● блок питания и т. д.

Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ, CRT, Cathode Ray Tube, катодно-лучевая трубка) представляет собой запаянную вакуумную стеклянную колбу, дно (экран) которой покрыто слоем люминофора, а в горловине установлена электронная пушка, испускающая поток электронов. С помощью формирующей и отклоняющей систем поток электронов модулируется для отображения нужного символа и направляется на, нужное место экрана. Энергия, выделяемая попадающими на люминофор электронами, заставляет его светиться. Светящиеся точки люминофора формируют изображение, воспринимаемое визуально.

В компьютерах применяются как монохромные, так и цветные мониторы.

Монохромные мониторы

Монохромные мониторы существенно дешевле цветных, имеют более четкое изображение и большую разрешающую способность, позволяют отобразить десятки оттенков «серого цветах, менее вредны для здоровья человека. Поэтому многие профессиональные программисты предпочитают именно их.

Среди монохромных чаще других используются:

● монохромные мониторы прямого управления, обеспечивающие высокую разрешающую способность при отображении текстовых и псевдографических символов, но не предназначенные для формирования графических изображений, построенных из отдельных пикселов; работают совместно только с монохромными видеоконтроллерами;

● композитные монохромные мониторы обеспечивают качественное отображение и символьной и графической информации при совместной работе с цветным графическим адаптером (но выдают, естественно, однотонное, чаще всего зеленое или янтарное, изображение).

Наибольшую разрешающую способность с хорошей передачей полутонов из применяемых в настоящее время мониторов имеют монохромные композитные мониторы с черно-белым изображением типа «paper white» (используемые часто в настольных издательских системах); их разрешающая способность при совместной работе с хорошим видеоадаптером превышает 1600 х 1200 пикселов.

Цветные мониторы

В цветном CRT-мониторе используются три электронные пушки, в отличие от одной пушки, применяемой в монохромных мониторах. Каждая пушка отвечает за один из трех основных цветов: красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue), путем смешивания которых создаются все остальные цвета и цветовые оттенки, вплоть до 16 миллионов разных оттенков, предусмотренных стандартом TrueColor. Люминофор цветной трубки содержит мелкие группы точек, в каждой из которых имеются три вида элементов (отсюда и название группы из люминофорных элементов — триады), светящихся этими основными цветами, а поток электронов от каждой электронной пушки направляется на соответствующие группы точек. Такие мониторы иногда называют RGB-мониторами, по первым буквам названия основных цветов, формирующих спектр.

Электронный луч, предназначенный для красных люминофорных элементов, не должен влиять на люминофор зеленого или синего цвета. Чтобы добиться такого

действия, используется специальная маска, структура которой зависит от типа кинескопов разных производителей, обеспечивающая дискретность (растровость) изображения.

ЭЛТ можно разбить на два класса:

● с дельтаобразным расположением электронных пушек;

● с планарным расположением электронных пушек.

Часто ЭЛТ (трубки) с планарным расположением электронных пушек называют также ЭЛТ с само сведением лучей, так как воздействие магнитного поля земли на трипланарно расположенных луча практически одинаково, и при изменении положения трубки относительно этого поля не требуется производить дополнительные регулировки. В этих трубках применяются маски двух типов: 0 «Shadow Mask» (теневая маска);

● «Slot Mask» (щелевая маска).

Теневая маска — это самый распространенный тип масок для CRT-мониторов. Теневая маска представляет собой металлическую сетку перед экраном стеклянной трубки с люминофорным слоем. Отверстия в металлической сетке обеспечивают точное попадание луча только на требуемые люминофорные элементы и только в определенных областях. Минимальное расстояние между люминофорными элементами одинакового цвета называется шагом точки (dot pitch). Теневая маска применяется во многих современных мониторах, в частности Hitachi, Panasonic, Samsung, Daewoo, LG, Nokia, ViewSonic.

Щелевая маска состоит из параллельных металлических проводников перед экраном стеклянной трубки с люминофорным слоем. Щели между проводниками обеспечивают точное попадание луча на требуемые полосы экрана. Люминофорные элементы расположены в вертикальных эллиптических ячейках, а маска сделана из вертикальных линий. Вертикальные полосы, фактически, разделены на эллиптические ячейки, которые содержат группы из люминофорных элементов трех основных цветов. Минимальное расстояние между двумя ячейками называется щелевым шагом (slot pitch). Щелевая маска используется, помимо мониторов фирмы NEC (разработчика данной технологии), в мониторах Panasonic с плоским экраном PureFlat и LG с плоским экраном Flatron.

Фирма Sony разработала плоские трубки с апертурной решеткой (Aperture Grill), которые более известны как трубки Trinitron. Апертурная решетка представляет собой металлическую решетку из вертикальных линий. Вместо эллиптических ячеек экран содержит серию нитей, состоящих из люминофорных элементов трех основных цветов, выстроенных в виде вертикальных полос. Такая система обеспечивает высокую контрастность изображения и хорошую насыщенность цветов, что вместе обеспечивает высокое качество мониторов с трубками на основе этой технологии. Маска, применяемая в трубках фирм Sony, а также СТХ, Mitsubishi, ViewSonic, представляет собой тонкую фольгу, на которой прорезаны тонкие вертикальные линии. Она держится на одной (в больших мониторах — на нескольких) горизонтальной проволочке-струне, тень от которой видна, на экране. Эта проволочка применяется для гашения колебаний и называется демпфирующей (стабилизирующей) нитью (damper wire).

Минимальное расстояние между двумя одноцветными нитями на экране называется шагом полосы (strip pitch). Введенные выше понятия: «шаг точки», «щелевой шаг», «шаг полосы» можно связать с более распространенным общим термином «размер зерна», рассмотренным ниже.

В качестве цветных мониторов используются также композитные цветные мониторы, обеспечивающие и цвет, и графику, но с довольно низкой разрешающей способностью.

RGB-мониторы являются более качественными, обладающими высокой разрешающей способностью и графики и детализацией цвета, в них для каждого из основных цветовых сигналов отведен свой провод (в композитных — все три цветовых сигнала проходят по одному проводу).

RGB-мониторы работают совместно с цветным графическим контроллером. Три типа видеомониторов: CD (Color Display), ECD (Enhanced CD) и PGS (Professional Graphics System), определяли стандарт цветных мониторов широкого применения, но в настоящее время заслуживают внимания только последние из них.

Виды развертки изображения на мониторе

Блок разверток может подавать в отклоняющую систему монитора напряжения разной формы, от которой зависит вид развертки изображения. Различают три типа разверток:

● растровую;

● матричную;

● векторную.

Растровая развертка представляет собой набор непрерывных горизонтальных линий, последовательно заполняющих весь экран, то есть весь экран сканируется последовательно строка за строкой. Такая развертка выполняется при подаче на горизонтальные (для строк) и вертикальные (для кадров) пластины отклоняющей системы напряжений пилообразной формы.

Матричная развертка отличается от растровой тем, что заполняющие экран горизонтальные линии не непрерывны, а состоят из отдельных точек. Электронный луч перемещается по экрану скачками от одного пиксела к другому. Такой эффект достигается при предварительном квантовании пилообразных напряжений, подаваемых в отклоняющую систему через цифро-аналоговые преобразователи. Обычно в составе такой системы имеются счетчики, что позволяет перемещать отклоняющий луч сразу в любую заданную точку экрана путем установки кодов в счетчиках строчной и кадровой развертки, соответствующих координатам нужного пиксела.

Векторная развертка используется для отображения на экране сложных фигур с помощью сплошных линий. Управление вертикальным и горизонтальным

отклонением луча осуществляется с помощью набора функциональных генераторов, каждый из которых настроен на формирование определенного простого графического контура (примитива).

Цифровые и аналоговые мониторы

В зависимости от вида управляющего лучом сигнала мониторы бывают аналоговые и цифровые.

В аналоговых мониторах ручное управление строится на основе поворотных потенциометров, в цифровых — на основе кнопок. В цифровых мониторах удобно строится многоуровневое экранное меню, используются заранее установленные графические режимы, но аналоговые мониторы позволяют более качественно, с большим количеством полутонов и цветовых оттенков формировать изображение на экране в высококачественных стандартах (например, стандарт True Color, поддерживающий 16,7 млн. цветовых оттенков, пока реализуется не во всех цифровых мониторах из-за необходимой большой разрядности шин)

Размер экрана монитора Мониторы выпускаются с экранами разных размеров. Размер экрана монитора задается обычно величиной его диагонали в дюймах для IBM РС-совместимых ПК приняты типоразмеры экранов 12, 14, 15, 17, 19, 21 и 22 дюйма. Наиболее типичное значение размера экрана для 2003 года— 17 дюймов. Такие мониторы имеют хорошую разрешающую способность, существенно удобнее в работе и менее вредны для здоровья (оператор дальше отодвигается от экрана), но они и заметно дороже, чем их меньшие собратья. Мониторы с диагональю 14 дюймов еще широко используются на практике, но в продаже их уже почти нет, мониторы с диагональю 15 дюймов пока активно продаются, но былой популярностью уже не пользуются. Дело в том, что монитор — чрезвычайно вредный для здоровья человека компонент компьютера, и экономить деньги при его покупке не следует. Поэтому лучше иметь монитор с большим экраном

Вертикальная (кадровая) развертка «ф Важной характеристикой монитора является частота его кадровой развертки: Смена изображений (кадров) на экране с частотой 25 Гц воспринимается глазом как непрерывное движение, но глаз при этом из-за мерцания быстро устает. Для большей устойчивости изображения и снижения усталости глаза у современных качественных мониторов поддерживается частота смены кадров (регенерации экрана) не ниже 70 — 75 Гц; при этом частота строчной развертки достигает величины 40-50 кГц, и обеспечивается хорошая полоса частот видеосигнала— важный параметр, обусловливающий совместимость видеомонитора с видеоконтроллером (по четкости изображения). Согласованию с видеоконтроллером для достижения устойчивости изображения подлежит и сама величина частоты кадровой развертки.

В этом аспекте все мониторы можно разделить на три группы:

● мониторы с фиксированной частотой, которые поддерживают всего один режим изображения;

● мониторы с несколькими фиксированными частотами, поддерживающие не сколько фиксированных режимов изображения;

● мультичастотные мониторы, автоматически подстраивающиеся под видео- контроллер и поддерживающие большое число видеорежимов (например, мультичастотные мониторы с частотами кадровой и строчной разверток соответственно 50 —.120 Гц и 30-60 кГц).

Оптимальной частотой кадровой развертки для 17-дюймовых мониторов с разрешением 1024 x 768 пикселов считается 85 Гц, ее все современные мониторы выдерживают с максимальной четкостью (резкостью); это значение обусловлено временем послесвечения люминофора.

Строчная развертка

Строчная развертка может быть построчной и чересстрочной, последняя позволяет получить большую разрешающую способность, но снижает вдвое фактическую кадровую частоту, то есть увеличивает мерцание экрана. Поэтому предпочтительнее построчная развертка (есть мониторы, работающие и в том, и в другом режимах, — при необходимости получения большего разрешения включается чересстрочная развертка).

Разрешающая способность мониторов Видеомониторы обычно могут работать в двух режимах: текстовом и графическом. В текстовом режиме изображение на экране монитора состоит из отображаемых символов расширенного набора ASCII, формируемых программным или аппаратным знакогенератором. В текстовом режиме возможно изображение простейших рисунков, диаграмм, рамок, составленных с использованием символов псевдографики.

При выводе символа на экран сначала определяются его координаты (номер строки и номер столбца), а затем по коду символа генерируется его форма, в которой он и высвечивается на экране.

Максимальное число символов, которое может быть отображено на экране, называется информационной емкостью экрана. В обычном режиме на экране размещается 25 строк по 80 символов в каждой из них, то есть информационная емкость составляет 2000 символов. В других режимах может отображаться 50 и 60 строк и 40 и 132 символа в строке.

В графическом режиме на экран выводятся видеоизображения, сложные схемы и чертежи, надписи с различным начертанием и размерами букв, формируемых из отдельных мозаичных элементов — пикселов (pixel — picture element).

Разрешающая способность мониторов нужна, прежде всего, в графическом режиме и связана с размером пиксела.

Измеряется разрешающая способность максимальным количеством пикселов, размещающихся по горизонтали и по вертикали на экране монитора. Зависит разрешающая способность как от характеристик монитора, так, даже в большей степени, и от характеристик видеоконтроллера. В общем случае каждому пикселу экрана соответствует несколько битов видеопамяти: для отображения 16,7 млн. цветовых оттенков, например, требуется 24 бита.

Стандартные значения разрешающей способности современных мониторов: 640 х

х 480, 800 х 600, 1024 х 768, 1280 х 1024, 1600 х 1200, 1800 х 1440, 1920 х 1440,

2048 х 536, но реально могут быть и иные значения. Следует заметить, что чем больше разрешающая способность, тем меньше рабочая частота кадровой развертки у мультичастотных мониторов, но в любом случае она не должна быть меньше 65 Гц. Например, у монитора Sony Multiscan 20sf П частота кадров в видеорежиме 640 х 480 составляет 150 Гц, при 800 х 600 — 120 Гц, при 1024 х 768 —:; 100 Гц, при 1280 х 1024 — 80 Гц и при 1600 х 1200 — 67 Гц.

Из характеристик видеоконтроллера наиболее влияет на разрешающую способность и качество изображения на экране монитора объем его видеопамяти. Наиболее важной характеристикой самого монитора, определяющей разрешающую способность и четкость изображения на экране, является размер зерна (точки, dot pitch) люминофора экрана монитора: чем меньше зерно, тем, естественно, выше четкость и тем меньше устает глаз. Величина зерна современных мониторов имеет значения от 0,25 до 0,28 мм. Строго говоря, определяется не диаметр зерна, а расстояние между центрами зерен.

Следует иметь в виду, что у мониторов с большим зерном не может быть достигнута высокая разрешающая способность. Например, экран с диагональю 14 дюймов имеет ширину 265 мм, для получения разрешающей способности 1024 точек по горизонтали размер зерна не должен превышать 265 / 1024 = 0,22 мм, в противном случае пикселы сливаются и изображение не будет четким.

В табл. 7.1 указан обеспечивающий высокую четкость максимально допустимый размер зерна экрана мониторов некоторых типоразмеров для стандартных значений разрешающей способности.

Частотная полоса пропускания

Ширина полосы пропускания частот имеет важное самостоятельное значение, поскольку от нее зависит четкость изображения на экране (очень часто на коробке от монитора указывается только это значение). Зная лишь ширину полосы пропускания (bandwidth) монитора, можно определить достаточно точно, может ли он работать в требуемом разрешении при необходимой частоте регенерации. Ширина полосы пропускания измеряется в мегагерцах и характеризует, какой может быть минимальная длительность импульса, соответствующего отображению одиночной точки на экране, и, следовательно, ее размер при предельных скоростях строчной развертки. Четкость изображения данных на экране зависит, от полосы пропускания не только ЭЛТ, но и видеоадаптера, то есть они должны быть согласованы.

Необходимая ширина полосы пропускания зависит от количества пикселов, отображаемых по вертикали и горизонтали, а также от частоты регенерации экрана. Предположим, что Y обозначает число пикселов по вертикали, Х — число пикселов по горизонтали, а R — частота регенерации экрана. Чтобы учесть дополнительное время на синхронизацию по вертикали, умножим У на коэффициент 1,05. Время, необходимое для горизонтальной синхронизации, соответствует примерно 30% от времени сканирования, поэтому используем коэффициент 1,3. В результате получим формулу для расчета ширины полосы пропускания монитора:

Bandwidth=1,05 Y 1,3 Х R.

Приведем пример. Если необходимо работать при разрешении 1280 х 1024 и частоте кадровой развертки 90 Гц, то требуемая ширина полосы пропускания монитора ориентировочно будет равна 1,05 1024 1280 1,3 90 = 161 МГц. Среди прочих характеристик мониторов следует отметить:

 ● наличие плоского (у некоторых моделей мониторов с диагональю 15 дюймов и выше) или выпуклого экрана (первый вариант предпочтительнее: близкое к прямоугольному изображение, меньшие блики); экраны некоторых моделей мониторов имеют специальное антибликовое покрытие;

● поддержка стандарта Plug and Play, реализуемая в мониторах аппаратно благодаря спецификации VESA на канал передачи DDC (Display Data Channel). DDC является каналом обратной связи монитор-адаптер: по нему монитор «сообщает» о своей марке, компании-производителе, серийном номере, частоте и режимах, в которых он может работать. По этой информации автоматически выбирается оптимальный режим работы монитора.

В табл. 7.2 приведены основные характеристики некоторых видеомониторов.

Эргономичность электронно-лучевых мониторов

Эргономичность монитора определяется как удачным подбором таких характеристик, как качество картинки на экране, габариты, вес, дизайн монитора, так  в большей степени его безвредностью для здоровья человека. Бывает, что персональный компьютер с цветным монитором на видном месте в офисе выполняет «представительские» функции, служит своеобразной визитной карточкой фирмы для клиентов и дорогостоящей игрушкой для персонала. Но для многих фирм и их сотрудников компьютер — действительно жизненно необходимый рабочий инструмент. А насколько этот инструмент в любом варианте вреден для жизни этих самых сотрудников, знают далеко не все. В США, например, ежедневное общение с ПК по вредности приравнивается к интенсивному курению.

Наиболее вредным для человеческого организма узлом ПК является видеомонитор (дисплей), хотя на здоровье активного пользователя сказываются не только постоянное напряжение глаз, но и длительное неизменное положение тела, и даже «дружественность общения с компьютером». Минздрав определил: «Персональные ЭВМ и видеотерминалы на электронно-лучевых трубках являются источниками широкополосных электромагнитных излучений: мягкого рентгеновского, ультрафиолетового, ближнего инфракрасного, радиочастотного, сверхвысокочастотного и инфранизкочастотного диапазона, а также электростатических полей». Поэтому пользователям, ежедневно подолгу работающим на ПК, во избежание появления профессионального заболевания необходим постоянный медицинский контроль. Многие пользователи и не подозревают об этом, и, жалуясь на появившиеся головные боли и головокружения, депрессию и раздражительность, резь в глазах и прогрессирующую близорукость, бессонницу, отсутствие аппетита, редко связывают эти недомогания с волшебным сиянием экрана. Работа даже с высококлассным оборудованием портит пользователю зрение, слух и дыхательную систему, неблагоприятно воздействует на нервную систему. Комплекс электромагнитных излучений способствует появлению и кожной сыпи, и даже раковых опухолей. Следует заметить, что интенсивность многих излучений увеличивается с ростом частоты разверток монитора, но существенно уменьшается при хорошем экранировании; для электростатического поля первая зависимость не характерна. Самый страдающий от дисплея ПК орган человека, естественно, глаза. Существует даже понятие — «синдром компьютерного зрения» (СКЗ). Основные его симптомы: глаза устают, изображение двоится, глаза слезятся, нарушается восприятие цветов; в дальнейшем может развиться близорукость и катаракта глаз. СКЗ стал основным заболеванием пользователей компьютеров во всем мире. По данным Американской оптометрической ассоциации, в США ежегодно около 10 миллионов человек обращаются к окулистам с этим заболеванием.

Надо сказать, что не только излучения являются причиной СКЗ. Пользователь читает с экрана дисплея информацию не в отраженном свете, как при работе с бумажным документом и вообще при восприятии любой другой «бытовой» информации, а в прямых лучах света, исходящих от дисплея. Поляризация этих лучей иная, непривычная для человека. Глаза пользователя перебегают с предметов окружающей обстановки на экран и обратно. Сотни, тысячи раз в день глаза должны перестраиваться с одного способа чтения на другой, они перенапрягаются, устают.

Особую осторожность при работе с компьютером должны соблюдать беременные женщины и дети. Установлены нарушения протекания беременности у женщин, интенсивно работающих на ПК. По данным исследователей ряда стран (Испании, Канады, США, Швеции) у большинства таких женщин плод развивается аномально; дети рождаются преждевременно, часто с избыточным весом, гипогипертонусом, вероятны и дефекты развития головного мозга. У женщин, которые во время беременности проводили более 20 часов в неделю за компьютерным терминалом, вероятность ранних и поздних прерываний беременности (выкидышей) на 80 процентов выше, чем у выполняющих ту же работу без компьютера. У детей уже после первого часа работы за дисплеем наступает заметное ухудшение остроты зрения. Родителям следует принимать все меры, чтобы видеоигра не увеличивала накопившееся за день утомление, а способствовала отдыху ребенка.

Частично безопасность и комфортность работы за монитором можно обеспечить рациональной организацией рабочего места и внешними условиями. Не следует считать, что главная опасность для пользователя исходит от излучения лицевой части видеомонитора — экрана дисплея. Наиболее сильное излучение обычно имеет место от боковых и от задней стенки монитора. Поэтому ни в коем случае нельзя располагать места пользователей нескольких компьютеров друг напротив друга, или, еще хуже, друг за другом. Рекомендуемое расстояние между видеомониторами должно составлять не менее 2 м для задних стенок и не менее 1,2 м для боковых. Помещение, где находятся компьютеры, должно быть достаточно просторным, с постоянным обновлением воздуха. Минимальная санитарная норма площади для одного дисплея — 6 м, минимальный объем — 20 м.

Освещенность помещения при работе за дисплеем должна быть хорошей и приближаться по мере возможности к естественному дневному освещению, свет необходим рассеянный, не бликующий от экрана. Использовать для освещения одиночные близко расположенные к дисплею люминесцентные лампы не следует, так как пульсация в излучении этих ламп приводит как к дополнительной усталости глаз, так и к появлению так называемого стробоскопического эффекта, искажающего информацию на экране дисплея. Наиболее подходящими для освещения являются галогеновые источники света. Заслуживают внимания рекомендации американского офтальмолога Шиди пользователю ПК:

● установите на экран дисплея хороший защитный фильтр; сетчатых фильтров избегайте;

● экран должен находиться примерно на 20 ниже уровня глаз и на расстоянии примерно 65 см от глаз (даже если вы очень близорукий человек, не работайте с дисплеем, водя по экрану носом — может пострадать даже нос);

● экран разверните под прямым утлом по отношению к окнам;

● освещенность экрана должна быть равна освещенности помещения (примерно 500-700 лк); а избегайте яркого люминесцентного света;

● легче читаются темные буквы на светлом фоне;

● через каждые 10 минут отводите взгляд в сторону от экрана;

● при вводе информации в ПК с черновика, последний поместите поближе к экрану;

● посоветуйтесь с глазным врачом, нужны ли вам для работы за дисплеем особые очки (например перфорированные).

Хорошими поглотителями любых излучений считаются некоторые растения: от многих излучений они прекрасно развиваются. Поэтому нередко в офисах используют комнатные растения, кактусы и пальмы в кадках не столько для придания шарма интерьеру, как считают покупатели пластмассовых фикусов, сколько именно для снижения уровня излучений. Можно вам посоветовать следовать этой идее, если, конечно, вас не смущает труд по уходу за этими растениями. В целом, подводя итоги, можно сказать, что:

● блики и мерцания экрана способствуют возникновению мигрени, близорукости, раздражительности и нервных стрессов; 

● низкочастотное поле может явиться причиной кожных заболеваний, стрессов, нарушений в протекании беременности, выкидышей, нарушению репродуктивной функции и возникновению злокачественных опухолей;

● электростатическое поле способно изменять и прерывать клеточное развитие, вызывать помутнение хрусталика глаза — катаракту.

Связь между нарушениями здоровья и неблагоприятными факторами, имеющими место при работе на ПК (по материалам Всемирной организации здравоохранения —, ВОЗ, № 99 «Видеодисплейные терминалы и здоровье пользователей», Женева, 1989 год), показана в табл. 7.3.

Условные обозначения: + — связь есть,? — связь возможна, — — связи нет. Сейчас выпускаются в основном мониторы с низким уровнем излучения типа LR (Low Radiation), а некоторые и с защитой экрана от электростатических полей (мониторы типа AS — AntiStatic), но они должны удовлетворять и спецификациям стандартов, разработанных Шведским национальным советом по измерениям и тестированию. Первая спецификация MPR-1 устанавливала нормы в основном для электромагнитных полей — полоса частот 1-400 кГц, вторая, MPRД-2, распространена и на электростатические поля, да и для электромагнитных в ней установлены существенно более жесткие нормы. Сейчас MPR-2 стала стандартом де-факто для всех качественных домашних мониторов.

Для профессиональных мониторов существуют еще более жесткие международные стандарты ТС0-92, ТСО-95 и ТС0-99, определяющие как допустимые величины различных излучений и полей, так и качество картинки на экране, и даже режимы управления электропитанием мониторов.

Наиболее полно эти нормы определены в стандарте ТСО-99. Рассмотрим его подробнее.

ТСО-99 указывает требования к позиционной стабильности геометрических элементов изображения, то есть к отсутствию «дрожания» картинки: максимальная амплитуда колебаний элемента не должна превышать десятой части миллиметра.

Стандарт ТСО-99

Требования, которые ТСО-99 предъявляет к обычным электронно-лучевым (CRT) мониторам, делятся на шесть основных категорий. В первых двух объединены свойства, характеризующие визуальную эргономичность аппарата — четкость изображения и его стабильность. Четкость изображения оценивается по восьми параметрам:

● линейность — элементы изображения, образующие его столбцы и строки, должны быть выстроены по прямым и необрывающимся линиям; в противном случае изображение теряет четкость;

● ортогональность — геометрически правильное построение перпендикулярных линий;

● уровень яркости — обеспечение достаточной яркости экрана, при которой пользователю не приходится напрягать глаза для того, чтобы понять, что же на экране вырисовывается;

● равномерность освещенности — обеспечение одинакового уровня яркости экрана на всей активной зоне;

● контрастность экрана — достаточная разница в яркости между отдельным экранным символом и его окружением. Символ, не отличающийся по яркости от фона, крайне трудно прочесть;

● уровень отражения — учитывает степень отражения света от стекла монитора;

● варьируемость температуры цвета — насыщенность белого света часто измеряют при помощи так называемой «температуры цвета»;

● равномерность цвета — визуальная характеристика, учитывающая, насколько однородно выглядит дисплей при 100-процентной заливке его белым цветом.

Показатели стабильности изображения описывают, насколько монитору удается; сохранить статическое изображение неизменным. В этот раздел внесены требования к скорости вертикальной развертки и рабочему разрешению.

Следующий раздел ТСО-99 связан с вопросами безопасности пользователя, касается того воздействия, которое монитор оказывает на окружающую среду, и факторов окружающей среды, воздействующих на стабильность работы монитора:

● влияние внешних магнитных полей — в ЭЛТ луч управляется при помощи магнитных полей, наличие рядом с работающим монитором источника электромагнитного излучения может привести к интерференции и в конечном итоге, к разбалансировке изображения;

● радиационное излучение. Самый критичный для пользователя негативный фактор работы за электронно-лучевым монитором — это угроза радиационного облучения. Чем ближе уровень излучения монитора к естественному фоновому, тем безопасней это устройство для пользователя;

● электростатический потенциал — возникает в результате разницы потенциалов между катодом ЭЛТ и окружающей средой на поверхности экрана. Высокий уровень потенциала приводит, например, к тому, что на монитор «липнет», больше частиц пыли. ТСО-99 допускает наличие потенциала в пределах 0,5 В;

● переменные электрические поля — возникают между объектами, обладающими разными электрическими потенциалами. В нашем случае это монитор и сам пользователь;

● переменные магнитные поля — возникают между объектами, обладающими  разными магнитными полями. В нашем случае это монитор и сам пользователь;

● режим энергосбережения. Стандарт ТСО-99 предусматривает два уровня энергосберегающей работы, с потреблением не более 15 и 5 Вт.

Пятая группа характеристик описывает электрическую безопасность монитора. Наконец, в состав стандарта входят и требования, предъявляемые к удобству' настроек монитора.

Остановимся на других стандартах энергосбережения, которые использую1еф в компьютерах.

Систему энергосбережения имеют мониторы типа G (Green). Они должны удовлетворять спецификации DPMS (Display Power Management. Signaling), которая описывает метод выведения монитора из активного состояния по этапам:

● on (рабочий режим — 100 — 200 Вт);

● standby (режим ожидания — потребление энергии не более 30 Вт);

● suspend (приостановка работы — не более 8 Вт);

● ой (отключение). Существует также система управления энергопотреблением монитора, основанная на спецификации ЕРА (Environmental Protection Agency — агентство по защите окружающей среды при правительстве США) с названием Energy Star. Реализация этой спецификации позволяет снизить энергопотребление системы

в режиме бездействия на 60 — 80% по сравнению с тем, сколько монитор потребляет энергии при работе в высоком разрешении и при большой глубине цвета.

Защитные фильтры для мониторов и их выбор

Итак, даже если видеомонитор полностью удовлетворяет требованиям международного стандарта MPR-2 (дисплеи Low Radiation), от его излучений желательна дополнительная защита. Предложений на этот счет множество. Американские специалисты, например, советуют располагаться от экрана не ближе, чем на вытянутую руку, чтобы соседние мониторы находились на расстоянии не менее 222 см. Но наиболее эффективным средством признаны используемые во всем цивилизованном мире экранные защитные фильтры.

Защитные фильтры для мониторов бывают следующих типов:

1. Сеточные фильтры практически не спасают от электромагнитного излучения и статического электричества, кроме того, они снижают контрастность изображения. Но они защищают (и хорошо защищают) от бликов внешнего освещения и мерцания экрана, что немаловажно для глаз.

2. Пленочные фильтры не ограждают от статического электричества, почти не защищают от низкочастотного электромагнитного поля, но повышают контрастность изображения, практически полностью поглощают ультрафиолетовое излучение и снижают уровень рентгеновского.

От бликов защищают только поляризационные пленочные фильтры. Наиболее известны поляризационные пленочные фильтры фирмы Polaroid — CP 50; некоторые из них существенно повышают контрастность и четкость изображения. Надо, правда, отметить, что покрытие поляризационных фильтров изготавливается на основе полиэфирных смол, являющихся недостаточно долговечными и прочными, что приводит к быстрому их физическому старению и разрушению. (Пленочные фильтры Polaroid CP 50 не следует путать со стеклянными поляризационными фильтрами Polaroid CP Universal, неплохо оберегающими и от статических и от электромагнитных полей.)

3. Стеклянные фильтры являются наиболее распространенными. Они бывают нескольких модификаций:

● простые стеклянные фильтры, как правило, азиатского происхождения (Depender GL14B, Optical glass), по своей эффективности примерно равнозначны сеточным фильтрам; многие из них не сопровождаются сертификатами качества и другой необходимой документацией;

● стеклянные фильтры с заземлением (фильтры Sepoms, Ergoline, Fuzzi, Looking Saver) существенно более эффективны: они частично снимают статический заряд, ослабляют электромагнитные поля, ультрафиолетовое излучение, повышают контрастность изображения; это наиболее популярные фильтры;

● стеклянные фильтры полной защиты (Ergostar, Xenium, Unus) — как правило, высококачественные изделия, изготовленные на основе оптического стекла с многослойным специальным покрытием, включающим в себя и поляризационный фильтр: они устраняют статические поля, ультрафиолетовое излучение, значительно снижают электромагнитные поля и рентгеновское излучение, практически не дают бликов и повышают контрастность изображения, но они весьма дорогие;

● отечественные стеклянные фильтры типа Global Shield и Defended Ergon относятся также к классу полной защиты, по своим характеристикам не уступают лучшим зарубежным образцам, но в 2-3 раза дешевле; это сравнительно новые фильтры, а их качество подтверждено многими техническими заключениями и сертификатами: они тестировались в НИИ медицины труда, Шведским институтом защиты от излучений и Научно-исследовательским центром эргономики средств отображения, фильтры имеют Гигиенический сертификат и Сертификат Госстандарта России.

Характеристики некоторых защитных фильтров представлены в табл. 7.4.

Видеомониторы на плоских панелях

Видеомониторы на плоских панелях (ВМПП) весьма разнообразны. Сейчас применяются:

● мониторы на жидкокристаллических индикаторах (LCD — Liquid Crystal Display);

● плазменные мониторы (PDP — Plasma Display Panels);

● электролюминесцентные мониторы (FED — Field Emission Display);

● светоизлучающие мониторы (LEP — Light Emitting Polymer).

Мониторы на жидкокристаллических индикаторах

Мониторы на жидкокристаллических индикаторах (ЖКИ, LCD — Liquid Crystal Display) — это цифровые плоские мониторы.

Эти мониторы используют специальную прозрачную жидкость, которая при определенных напряженностях электростатического поля кристаллизуется, при этом изменяются ее прозрачность, коэффициенты поляризации и преломления световых лучей. Эти эффекты и используются для формирования изображения. Конструктивно такой дисплей выполнен в виде двух электропроводящих стеклянных пластин, между которыми и помещается тончайший слой такой кристаллизующейся жидкости. В качестве источника света для задней или боковой подсветки экранов обычно используются флуоресцентные лампы с холодным катодом или электролюминесцентные панели.

LCD бывают с активной и пассивной матрицами. В пассивной матрице каждый элемент экрана (пиксел) выбирается на перекрестии координатных управляющих прозрачных проводов, а в активной для каждого элемента экрана есть свой управляющий транзистор, поэтому их часто называют TFT-экранами (TFT — Thin Film Transistor, тонкопленочный транзистор).

Наряду с монохромными широко используются и цветные дисплеи. У цветных дисплеев каждый элемент изображения состоит из 3-х отдельных пикселов (R, G и В), покрытых тонкими светофильтрами соответствующих цветов. Современные дисплеи с активной матрицей поддерживают стандарт TrueColor, что позволяет отображать до 16,7 млн. цветовых оттенков. Сами цвета достаточно глубокие и яркие.

Дисплеи с активной матрицей имеют лучшую яркость и предоставляют возможность смотреть на экран даже с отклонением до 80' и более (то есть при угле обзора 160') без ущерба качеству' изображения, что невозможно в случае с пассивной матрицей, которая позволяет видеть качественное изображение только с фронтальной позиции по отношению к экрану. Заметим, что дорогие модели LCD-мониторов с активной матрицей обеспечивают угол обзора в 170', и есть все основания предполагать, что технология будет и дальше совершенствоваться. На панели с активной матрицей можно отображать движущиеся изображения без видимого искажения, так как время реакции у них около 50 мс против 300 мс для пассивной матрицы, а контрастность изображения даже лучше, чем у CRT-мониторов. Следует отметить, что яркость отдельного элемента экрана остается неизменной на всем интервале времени между обновлениями картинки, а не представляет собой короткий импульс света, излучаемый элементом люминофора CRT-монитора сразу после прохождения по этому элементу электронного луча. Именно поэтому для LCD-мониторов достаточной является частота регенерации 60 Гц. Благодаря лучшему качеству изображений эта технология также используется и в применении к настольным компьютерам, что позволяет создавать компактные мониторы, менее опасные для нашего здоровья.

Эффективное разрешение у каждого LCD-монитора только одно, его называют native (родное), оно неизменно и определяется размером и количеством пикселов, которые физически фиксированы. Именно в native-разрешении LCD-монитор воспроизводит изображение лучше всего. Например, если LCD-монитор имеет native-разрешение 1024 x 768, то на каждой из 768 линий расположено 1024 пиксела. Есть, правда, возможность использовать и более низкое, чем native, разрешение, прибегая к одному из двух методов:

● центрирование (centering) — для отображения берется только то количество пикселов, которое необходимо для формирования картинки с более низким разрешением. В результате изображение получается не во весь экран, а только в его середине. Все неиспользуемые пикселы остаются черными, то есть вокруг изображения образуется широкая черная рамка;

● растяжение (expansion) — при воспроизведении изображения с более низким, чем native, разрешением используются все пикселы, то есть изображение занимает весь экран. Однако из-за того, что изображение растягивается на весь экран, возникают небольшие искажения и ухудшается резкость.

Переход к нужному методу выполняется включением (expansion) или выключением (centering) режима Zoom — масштабирования изображения. LCD-панель типа XGA имеет native-разрешение 1024 х 768, а SXGA — 1280 х 1024. Потребляемая и рассеиваемая мощность у LCD-мониторов существенно ниже, чем у CRT-мониторов. Еще недавно проблемой LCD-экранов был их размер: с ростом диагонали дисплеев ухудшаются их остальные характеристики и резко увеличивается их стоимость. Но сейчас уже выпускаются для массового покупателя LCD-мониторы с диагональю 20 дюймов, а недавно разработчики представили модели TFT- LCD-мониторов с диагоналями 43 и 64 дюйма, хотя последние еще очень дороги.

В табл. 7.5 приведены сравнительные характеристики TFT-LCD и CRT-мониторов.

Вывод. Дисплей с активной матрицей обеспечивает лучшее качество: хорошую безынерционность, разрешающую способность, контрастность и яркость изображения, но он существенно более дорогой и сложный. Например, монитор, который может показывать изображение с разрешением 800 х 600 пикселов в режиме SVGA и только с тремя цветами, имеет 1 440 000 отдельных транзисторов.

В табл. 7.6 представлены размеры и разрешающая способность некоторых моделей современных LCD-мониторов.

Плазменные мониторы

В плазменных мониторах (PDP — Plasma Display Panels) изображение формируется сопровождаемыми излучением света газовыми разрядами в пикселах панели. Конструктивно панель состоит из трех стеклянных пластин, на две из которых нанесены тонкие прозрачные проводники: на одну пластину — горизонтально, на другую — вертикально. Между ними находится третья пластина, в которой в местах пересечения проводников двух первых пластин имеются сквозные отверстия, это и есть пикселы. Эти отверстия при сборке панели заполняются инертным газом: неоном или аргоном. При подаче высокочастотного напряжения на один из вертикально и один из горизонтально расположенных проводников в отверстии, находящемся на их пересечении, возникает газовый разряд.

Плазма газового разряда излучает свет в ультрафиолетовой части спектра, который вызывает свечение частиц люминофора в диапазоне, видимом человеком.

Фактически, каждый пиксел на экране работает, как обычная флуоресцентная лампа (иначе говоря, лампа дневного света),

При разрешающей способности 512 х 512 пикселов панель имеет размеры порядка 200 х 200 мм, при 1024 х 1024 пиксела — 400 х 400; толщина панели порядка 6 — 8 мм.

Высокая яркость и контрастность наряду с отсутствием дрожания являются большими преимуществами таких мониторов. Кроме того, угол по отношению к нормали, под которым можно увидеть хорошее изображение на плазменных мониторах, существенно больше, чем 45', как в случае с LCD-мониторами. Главными недостатками такого типа мониторов являются довольно высокая потребляемая мощность, возрастающая при увеличении диагонали монитора, и низкая разрешающая способность, обусловленная большим размером элемента изображения. Кроме этого, свойства люминофорных элементов быстро ухудшаются, и экран становится менее ярким, поэтому срок службы плазменных мониторов ограничен 10 000 часами (это около 5 лет в офисных условиях). Из-за этих ограничений такие мониторы используются пока только для конференций, презентаций, информационных щитов, то есть там, где требуются большие размеры экранов для отображения информации. Сейчас ведутся работы по созданию технологии PALС (Plasma Addressed Liquid Crystal), 'которая обещает соединить в себе преимущества плазменных и LCD-экранов с активной матрицей с целью эффективного использования PALC-панелей в компьютерах.

Электролюминесцентные мониторы

Электролюминесцентные мониторы (FED — Field Emission Display) в качестве панели используют две тонкие стеклянные пластины с нанесенными на них прозрачными проводами. Одна из этих пластин покрыта слоем люминофора. Пластины складываются так, что провода пластин пересекаются, образуя сетку. Между пересекающимися проводами образуются пикселы. На пару пересекающихся проводов подается напряжение, создающее электрическое поле, достаточное для возбуждения свечения люминофора в пикселе, находящемся в месте пересечения.

Светоизлучающие мониторы

В светоизлучающих мониторах (LEP — Light Emitting Polymer) в качестве панели используется полупроводниковая полимерная пластина, элементы которой под действием электрического тока начинают светиться. Конструкция панели примерно такая же, как панели FED, но через полупроводниковые пикселы пластины пропускается ток (а не создается электрическое поле). На сегодняшний день имеются монохромные (желтого свечения) LEP-дисплеи, приближающиеся по эффективности к дисплеям LCD, но уступающие им по сроку службы.

Удалось создать органический полупроводник, имеющий широкий спектр излучения — в диапазоне от синего до инфракрасного с эффективностью (коэффициентом полезного действия по мощности) излучения порядка 1%. Многие фирмы (CDT, Seiko-Epson и др.) планируют создать на основе этого материала полноразмерный цветной дисплей. Прототип цветного дисплея был создан с использованием красных, синих и зеленых полимерных материалов CDT с нанесением на подложку экрана по технологии струйной печати. Качество отображения цвета нового экрана аналогично качеству жидкокристаллических дисплеев (LCD). Достоинства LEP-панелей:

● пластик сам излучает свет, поэтому не нужна подсветка, как в LCD-мониторе;

● LEP-монитор обеспечивает 180-градусный угол обзора;

● LEP-дисплеи работают при низком напряжении питания (менее 3 В) и имеют малый вес и их можно использовать в портативных ПК.

● LEP-дисплей обладает крайне малым временем переключения (менее 1 мкс), он годится для воспроизведения видеоинформации.

Видеоконтроллеры

Видеоконтроллеры (видеоадаптеры) являются внутрисистемными устройствами, преобразующими данные в сигнал, отображаемый монитором, и непосредственно управляющими мониторами и выводом информации на их экран. Видеоконтроллер содержит: графический контроллер, растровую оперативную память (видеопамять, хранящую воспроизводимую на экране информацию), микросхемы ПЗУ, цифро-аналоговый преобразователь.

Контроллер (специализированный процессор) формирует управляющие сигналы для монитора и управляет выводом закодированного изображения из видеопамяти, регенерацией ее содержимого, взаимодействием с центральным процессором. Контроллер с аппаратной поддержкой некоторых функций, позволяющей освободить центральный процессор от выполнения части типовых операций, называется акселератором (ускорителем). Акселераторы эффективны при работе со сложной графикой: многооконным интерфейсом, трехмерной (3D) графикой и т. п. Основными компонентами специализированного процессора являются: SVGA-ядро, ядро 2D-ускорителя, ядро 3D-ускорителя, видеоядро, контроллер памяти, интерфейс системной шины, интерфейс внешнего порта ввода-вывода. Аппаратно большая часть этих компонентов реализуется на одном кристалле видеоконтроллера.

Поясним некоторые компоненты:

● 2D-ускоритель — устройство, осуществляющее обработку графики в двух координатах на одной плоскости;

р 3D-ускоритель — устройство, осуществляющее формирование и обработку трехмерных (3D) изображений. В процессе формирования 3D-изображения аппаратный 3D-ускоритель взаимодействует с программным обеспечением.

Сам же процесс имеет несколько этапов:

● определение состояния объектов;

● определение соответствующих текущему состоянию геометрических трехмерных моделей;

● разбиение этих моделей на простые элементы — графические примитивы, в качестве которых чаще используют треугольники (именно на этом этапе подключается аппаратный 3D-ускоритель);

● преобразование параметров примитивов в целочисленные значения, с которыми работают аппаратные компоненты;

● закраска примитивов и финальная обработка. Основные аппаратные элементы 3D-ускорителя: 'геометрический процессор, механизм установки и механизм закраски примитивов. Характеристиками ускорителей являются максимальная пропускная способность (треугольников в секунду), максимальная производительность закраски (точек в секунду), скорость (кадров в секунду).

Важная характеристика — емкость видеопамяти, она определяет количество хранимых в памяти пикселов и их атрибутов. Видеоконтроллер должен обеспечить естественное качественное изображение на экране монитора, что возможно при большом числе воспроизводимых цветовых оттенков, высокой разрешающей способности и высокой скорости вывода изображения на экран.

Под разрешающей способностью здесь (так же как и для мониторов) понимается то количество выводимых на экран монитора пикселов, которое может обеспечить видеоконтроллер. При разрешении 1024 х 768 на экран должно выводиться 786 432 пиксела, а при разрешении 2048 х 1536 — 3-145 728 пикселов. Для каждого пиксела должна храниться и его характеристика — атрибут.

Количество воспроизводимых цветовых оттенков (глубина цвета) зависит от числа двоичных разрядов, используемых для представления атрибута каждого пиксела. Выделение 4 битов информации на пиксел (контроллеры CGA) позволяло отображать 2 = 16 цветов, 8 битов (контроллеры EGA и VGA) — 2з = 256 цветов, 16 битов (стандарт HighColor), 24 и 25 битов (стандарт TrueColor в контроллерах SVGA), соответственно, 2 = 65 536, 2 = 16 777 216 и 2 = 33 554 432 цветов. В стандарте TrueColor в отображении каждого пиксела обычно участвуют 32 бита, из них 24 или 25 нужны для характеристики цветового оттенка, а остальные  для служебной информации.

Необходимую емкость видеопамяти для работы с графикой можно приблизительно сосчитать, умножив количество байтов атрибута на количество пикселов, выводимых на экран. Например, в стандарте TrueColor при разрешающей способности монитора 1024 х 768 пикселов емкость видеопамяти должна быть не менее 2,5 Мбайт, а при разрешении 2048 х 1536 — не менее 9,5 Мбайт. При работе с текстом необходимая емкость видеопамяти существенно меньше.

Скорость вывода изображения на экран зависит от скорости обмена данными видеопамяти со специализированным процессором, цифро-аналоговым преобразователем и, в несколько меньшей степени, с центральным процессором. Для увеличения скорости обмена данными используются:

● увеличение разрядности и тактовой частоты внутренней шины видеоконтроллера (вплоть до 256 разрядов и 600 МГц);

● новейшие быстродействующие типы оперативной памяти. В качестве видеопамяти в контроллерах могут применяться различные типы памяти DRAM, как универсальные: SDRAM, DRDRAM, DDR SDRAM, так и особенно быстрые специализированные: SGRAM (синхронная графическая), VRAM и WRAM (двухпортовые типы видеопамяти), 3D RAM (трехмерная) и т. д.

Скорость обмена данными с центральным процессором определяется пропускной способностью шины, через которую осуществляется обмен. В современных компьютерах вместо шины PCI используется более скоростная шина AGP (в частности AGP 4x).

Поскольку в мониторы необходимо подавать аналоговый видеосигнал, для преобразования цифровых данных, хранимых в видеопамяти, в аналоговую форму, в видеоконтроллере предусмотрен цифро-аналоговый преобразователь RAMDAC. Он отвечает за формирование окончательного изображения на мониторе. RAMDAC преобразует результирующий цифровой поток данных, поступающих от видео памяти, в уровни интенсивности, подаваемые на соответствующие электронные пушки трубки монитора — красную, зеленую и синюю. Помимо цифроаналоговых преобразователей для каждого цветового канала (красного, зеленого, синего), RAMDAC имеет встроенную память для хранения данных о цветовой палитре и т. д. Такие характеристики RAMDAC, как его частота и разрядность, также непосредственно определяют качество изображения.

От частоты зависит, какое максимальное разрешение и при какой частоте кадровой развертки монитора сможет поддерживать видеоконтроллер. Разрядность определяет, сколько цветов может поддерживать видеоконтроллер. Наиболее распространено 8-битовое представление характеристики пиксела на каждый- цветовой канал монитора (суммарная разрядность 24). 4 В видеоконтроллере имеются микросхемы ПЗУ двух типов:

● содержащие видеоВ1ОБ — базовую систему ввода-вывода, используемую центральным процессором для первоначального запуска видеоконтроллера;

● содержащие сменные матрицы знаков, выводимых на экран монитора.

Многие видеокарты имеют электрически перепрограммируемые ПЗУ (EEPROM,: Flash ROM), допускающие перезапись информации пользователем под управлением специального драйвера, часто поставляемого вместе с видеоадаптером. Таким образом можно обновлять и видео-BIOS, и экранные шрифты. Основные характеристики видеоконтроллера:

● режимы работы (текстовый и графический);

● воспроизведение цветов (монохромный и цветной);

● число цветов или число полутонов (в монохромном);

● разрешающая способность (число адресуемых на экране монитора пикселов по горизонтали и вертикали);

● емкость и число страниц в буферной памяти (число страниц — это число за поминаемых текстовых экранов, любой из которых путем прямой адресации может быть выведен на отображение в мониторе);

● размер матрицы символа (количество пикселов в строке и столбце матрицы формирующей символ на экране монитора);

● разрядность шины данных, определяющая скорость обмена данными с системной шиной, и т. д.

Общепринятый стандарт формируют следующие видеоконтроллеры:

● Hercules -монохромный графический адаптер;

● MDA — монохромный дисплейный адаптер (Monochrome Display Adapter);

● MGA — монохромный графический адаптер (Monochrome Graphics Adapter);

●CGA — цветной графический адаптер (Color Graphics Adapter);

● EGA — улучшенный графический адаптер (Enhanced Graphics Adapter);

● VGA — видеографический адаптер (Video Graphics Adapter), часто его называют видеографической матрицей (Video Graphics Аггау);

● SVGA — улучшенный видеографический адаптер (Super VGA);

● PGA — профессиональный графический адаптер (Professional GA). Минимально допустимые характеристики основных типов видеоконтроллеров приведены в табл. 7.7.

В настоящее время выпускаются и практически используются только видеоконтроллеры типа SVGA.

Современные SVGA-видеоконтроллеры поддерживают разрешение до 2048 х 1536, число цветовых оттенков более 16,7 млн. (наиболее «продвинутые» 32-разрядные — более 33 млн.), имеют емкость видеобуфера до 64 Мбайт.

Видеоконтроллер устанавливается на материнской плате, как видеокарта — в свободный разъем AGP или PCI. Некоторые видеокарты имеют вход для подключения телевизионной антенны (TV in) и тюнер, то есть позволяют через ПК просматривать телепередачи, видеофильмы с видеомагнитофона и видеокамеры; ряд видеокарт имеют разъем для подключения телевизора (TV out) для просмотра видео.

Клавиатура

Клавиатура — важнейшее для пользователя устройство, с помощью которого осуществляется ввод данных, команд и управляющих воздействий в ПК. На клавишах нанесены буквы латинского и национального алфавитов, десятичные цифры, математические, графические и специальные служебные символы, знаки препинания, наименования некоторых команд, функций и т. д. В зависимости от типа ПК, назначение клавиш, их обозначение и размещение может варьироваться. Чаще всего клавиатура содержит 101 клавишу, но встречаются еще и старые клавиатуры с 84 клавишами и новые, удобные для использования в системе Windows клавиатуры с 101 клавишами. Имеются клавиатуры со встроенными манипуляторами типа трекбол (trackball) и т. д. Появилось сообщение фирмы Data Hand Systems о разработке эргономичной, сокращающей движения руки 5-клавишной клавиатуры: 4 клавиши для ввода букв и цифр и 1 клавиша манипулятора. Каждая клавиша имеет 5 направлений движения: влево, вправо, вперед, назад и вниз. При работе кисть руки удобно лежит в специальном углублении, а клавишами управляют лишь кончики пальцев.

Типичная адаптированная под русский алфавит клавиатура ПК IBM PC, содержащая 101 клавишу, показана на рис. 7.1.

Все клавиши можно разбить на следующие группы:

● буквенно-цифровые клавиши, предназначенные для ввода текстов и чисел;

● клавиши управления курсором; эта группа клавиш может быть использована также для ввода числовых данных, просмотра и редактирования текста на экране;

● специальные управляющие клавиши: переключение регистров, прерывание работы программы, вывод содержимого экрана на печать, перезагрузка ПК и т. д.;

● функциональные клавиши, широко используемые в сервисных программах в качестве управляющих клавиш.

Буквенно-цифровые клавиши занимают центральную часть клавиатуры. Расположение букв и цифр на клавишах соответствует расположению их на клавиатуре пишущей машинки. Латинские буквы на клавиатуре расположены по стандарту QWERTY, названному так по последовательности первых шести букв в верхнем ряду буквенной клавиатуры. Для русского алфавита размещение буквенно-цифровых клавиш соответствует расположению клавиш на пишущих машинках с русским шрифтом — стандарт QWERTY, (первые шесть букв в верхнем ряду буквенной клавиатуры). Для обеспечения ввода с клавиатуры русских букв необходим соответствующий драйвер, который должен быть предварительно загружен в оперативную память и оставаться в ней резидентно. Переключение клавиатуры в режим ввода русских букв (символов кириллицы) и обратный переход на ввод латинских букв осуществляется нажатием одной или двух специальных клавиш: для разных драйверов по-разному, но чаще всего Ctrl или Shift.

Для алфавитно-цифровых клавиш существует понятие регистра, то есть режима их использования. Имеется две пары регистров: верхний-нижний и латиница- кириллица. В верхнем регистре вводятся прописные (заглавные) буквы, а в нижнем — строчные (маленькие); а также специальные символы и цифры, помещенные соответственно на верхней и нижней части клавиши. Регистры могут использоваться в различных сочетаниях, например, верхний латинский, нижний русский и т. п.

Выбор режима нижний-верхний производится при помощи клавиши Caps Lock (Capitals Lock — фиксация прописных букв) и Shift (сдвиг, замена). Клавиша Caps Lock закрепляет режим ввода прописных или строчных букв. В режиме прописных букв (~верхний~) светится индикатор Caps Lock в верхней правой части клавишной панели. Клавиша Shift изменяет режим клавиатуры на противоположный, пока она нажата.

Клавиши управления курсором расположены в правой части панели клавиатуры. Для удобства работы они продублированы и состоят из трех групп:

 ● малая цифровая клавиатура;

 ● клавиши просмотра текста на экране и его редактирования;

 ● клавиши управления курсором.

Клавиши малой цифровой клавиатуры могут быть использованы в двух режимах:

            ● в режиме управления курсором;

● в режиме ввода цифр, знаков математических операций и точки.

Выбор режима производится при помощи клавиши Num Lock (Number Lock— фиксация цифр) и Shift. Клавиша Num Lock закрепляет режим ввода цифр, а Shift изменяет режим клавиатуры на противоположный, пока она нажата.

В режиме ввода цифр, математических знаков и точки светится индикатор Num Lock в верхней правой части клавишной панели, и клавиши имеют назначение, показанное в табл. 7.8.

¬        Перемещение курсора влево на одну позицию при кратковременном

нажатии; при длительном нажатии курсор перемещается влево непрерывно

        Перемещение курсора вверх на одну позицию при кратковременном нажатии; при длительном нажатии курсор перемещается вверх непрерывно

®        Перемещение курсора вправо на одну позицию при кратковременном нажатии; при длительном нажатии курсор перемещается вправо непрерывно

¯         Перемещение курсора вниз на одну позицию при кратковременном

нажатии; при длительном нажатии курсор перемещается вниз непрерывно

Home Перемещение курсора в первую позицию строки (Ноmе — в начало)  

End Перемещение курсора в последнюю позицию строки (End — в конец)

PgUp   Перемещение по тексту в направлении его начала на одну страницу (обычно на 25 строк), то есть возврат на одну страницу (Page Up— страница вверх)

PgDn Перемещение по тексту в направлении его конца на одну страницу, то есть

продвижение вперед на одну страницу (Page Down — страница вниз)

Ins       Переключение клавиатуры из режима замены в режим вставки и обратно; в режиме вставки каждый вновь введенный символ помещается перед символом, на который указывает курсор; часть же строки, расположенная правее курсора, сдвигается на одну позицию вправо (Insert — вставить)

Del      Удаление на экране указанного курсором символа; при этом часть строки, расположенная правее курсора, сдвигается на одну позицию влево, исключая разрыв строки (Delete — удалить)

Специальные управляющие клавиши (их называют также служебными) расположены вокруг группы алфавитно-цифровых клавиш (табл. 7.10).

Функциональные клавиши F1 — F12 размещены в верхней части клавиатуры. Эти клавиши предназначены для различных специальных действий; для каждого программного продукта они имеют свое назначение.

В большинстве программ принято, что клавиша F1 (клавиша Help — помощь) связана с вызовом справки. При входе в программу по F1 выдается общая подсказка с кратким описанием вариантов функционирования программы и назначением функциональных клавиш в ней. При работе с программой по нажатии F1 предоставляется контекстно-зависимая помощь, то есть подсказка по тому режиму, по той функции, которая программой реализуется в данный момент.

Блок клавиатуры в настольных ПК конструктивно выполнен автономно от основной платы компьютера и, кроме клавиатуры, содержит контроллер клавиатуры, состоящий из буферной памяти и схемы управления. Он подключается к систем- ной плате с помощью 4-проводного интерфейса (линии интерфейса используются для передачи, соответственно, тактовых импульсов, данных, напряжения питания +5 В, последний — «земля»). Для клавиатур существует несколько вариантов интерфейсов: стандартный разъем DIN, разъем PS/2, инфракрасный порт (IrDA), интерфейс USB. Чаще всего используются интерфейсы DIN и PS/2, но самым перспективным является интерфейс USB.

Из «экзотических» клавиатур следует отметить:

●беспроводную клавиатуру, позволяющую свободно перемещаться по комнате и работать на компьютере в любом удобном месте, даже лежа на диване; беспроводные клавиатуры для передачи сигналов используют лучи инфракрасного диапазона (интерфейс IrDA), которые принимаются специальным устройством, непосредственно подключенным к компьютеру;

● гибкую резиновую клавиатуру, красивую разноцветную — она бесшумна, надежна (успешно сопротивляется различным механическим и химическим воздействиям); очень тонкая, может быть свернута в виде цилиндра;

● клавиатуры с идентификацией пользователя по «отпечаткам пальцев» и силе нажатия;

● многофункциональные клавиатуры с элементами телекоммуникационных систем и т. д.

Контроллер клавиатуры осуществляет:

● сканирование (опрос) состояния клавиш;

● буферизацию (временное запоминание) до 20 отдельных кодов клавиш на время между двумя соседними опросами клавиатуры со стороны МП;

● преобразование с помощью программируемых системных таблиц (драйвера клавиатуры) кодов нажатия клавиш (SCAN-кодов) в коды ASCII;

● тестирование (проверку работоспособности) клавиатуры при включении ПК. При нажатии и отпускании клавиши в буферную память контроллера клавиатуры поступает код нажатия или отпускания (соответственно, 0 или 1) в седьмой бит байта и номер клавиши или ее SCAN-код в остальные 7 битов. При поступлении любой информации в буферную память посылается запрос на аппаратное прерывание, инициируемое клавиатурой. При выполнении прерывания SCAN-код преобразуется в код ASCII, и оба кода (SCAN-код и ASCII-код) пересылаются в соответствующее поле ОЗУ машины. При этом по наличию кода отпускания проверяется, все ли клавиши отпущены в момент нажатия следующей клавиши (это необходимо для организации совместной работы с клавишами Shift, Ctrl, Alt и др.

Контроллер клавиатуры организует и автоматическое повторение клавишной операции: если клавиша нажата более 0,5 с, то генерируются повторные коды нажатия клавиши через регулярные интервалы так, как если бы вы клавишу нажимали повторно.

Графический манипулятор мышь

Следует кратко остановиться и на другом типе устройств ручного ввода информации в ПК. Речь идет о графических манипуляторах, в качестве которых используются: трекболы, трекпойнты, трекпады, джойстики, световые перья и карандаши, но чаще всего используются мыши.

Мышь (mouse) представляет. собой электронно-механическое устройство, с помощью которого осуществляется дистанционное управление курсором на экране монитора. При перемещении манипулятора типа мышь по столу или другой поверхности на экране монитора соответствующим образом передвигается и курсор. Принцип работы мыши основан на преобразовании вращательного движения шарика по двум осям через оптический или электрический конвертор в серию цифровых сигналов (импульсов), пропорциональных скорости передвижения.

Мыши бывают двухкнопочные и трехкнопочные. Для большинства видов программ достаточно двух кнопок. Имеются мыши, специально ориентированные для работы в Интернете, с дополнительной третьей кнопкой (колесиком), применяемой для вертикального скроллинга (прокрутки) страницы в окне программы.

В настоящее время выпускаются мыши с интерфейсами СОМ, PS/2, USB

и IrDA. Мыши с интерфейсом IrDA (инфракрасный порт) не имеют «хвоста» и передают сигналы на приемник, подключенный к компьютеру, с помощью лучей инфракрасного диапазона.

Принтеры

Печатающие устройства (принтеры) — это устройства вывода данных из компьютера, преобразующие ASCII-коды и битовые последовательности в соответствующие им символы и фиксирующие их на бумаге.

Принтеры являются наиболее развитой группой ВУ ПК, насчитывающей до 1000 различных модификаций. Принтеры различаются между собой по:

● цветности (черно-белые и цветные);

● способу формирования символов (знакопечатающие и знакосинтезирующих);

● принципу действия (матричные, струйные, лазерные, термические и др.);

● способу печати (ударные, безударные) и формирования строк (последовательные, параллельные);

● ширине каретки (с широкой 375 — 450 мм и узкой 250 мм кареткой);

● длине печатной строки (80 и 132 — 136 символов);

● набору символов;

● скорости печати;

● разрешающей способности и т. д.

Внутри ряда групп можно выделить по несколько разновидностей принтеров; например, широко применяемые матричные знакосинтезирующие принтеры по принципу действия могут быть ударными, термографическими, электрографическими, электростатическими, магнитографическими и т. д.; собственно говоря, и струйные принтеры также являются матричными.

Среди ударных принтеров наиболее распространены игольчатые (матричные), но в локальном варианте, без компьютера, еще встречаются и литерные, шаровидные, лепестковые (типа «ромашкам) и т. д.

Печать у принтеров может быть посимвольная, построчная, постраничная. Скорость печати варьируется от 10 — 300 знаков/с (ударные принтеры) до 500— 1000 знаков/с и даже до 20 страниц в минуту (безударные лазерные принтеры); разрешающая способность — от 3 — 5 точек на мм до 30 — 40 точек на мм (лазерные принтеры).

Принтеры могут работать в двух режимах — текстовом и графическом:

● в текстовом режиме на принтер посылаются коды символов, которые следует распечатать, причем контуры символов выбираются из знакогенератора принтера;

● в графическом режиме на принтер пересылаются коды, определяющие последовательность и местоположение точек изображения.

Для текстовой печати в общем случае имеются следующие режимы, характеризующиеся различным качеством печати:

● режим черновой печати (Drait);

● режим печати, близкий к типографскому (Х?.() — Near Letter Quality); В

● режим с типографским качеством печати (LQ — Letter Quality);

● сверхкачественный режим (SLQ — Super Letter Quality).

В текстовом режиме принтеры обычно поддерживают несколько шрифтов и их гарнитур, среди которых получили широкое распространение roman (мелкий шрифт пишущей машинки), italic (прямой курсив), bold-face (полужирный), expanded (растянутый), elite (полусжатый), condenced (сжатый), pica (пика или цицеро — прямой шрифт с кеглем 12 пунктов), courier (курьер), san-serif (рубленый шрифт сансериф), serif (сериф), prestige elite (престиж-элита) и пропорциональный шрифт (ширина поля, отводимого под символ, зависит от ширины символа).

Желательно, чтобы принтер был русифицированным, то есть своими средствами обеспечивал печать русских букв — кириллицы; в противном случае в текстовом режиме потребуется подключение в ПК специальных драйверов.

Многие принтеры позволяют реализовать:

● эффективный вывод графической информации (с помощью символов псевдо графики);

● сервисные режимы печати: плотная печать, печать с двойной шириной, с подчеркиванием, с верхними и нижними индексами, выделенная печать (каждый символ печатается дважды) и печать за два прохода (второй раз символ печатается с незначительным сдвигом);

● многоцветную (до 100 различных цветов и оттенков) печать. Основными характеристиками принтеров являются:

● разрешающая способность или просто разрешение. Разрешение при печати чаще всего измеряется числом элементарных точек (dots), которые размещаются на одном дюйме (dpi — dots per inch, inch — дюйм, примерно 2,54 см) или на одном см (точек на см бумаги). Например, разрешение 1440 dpi означает, что на длине одного дюйма бумаги размещается 1440 точек. Чем больше разрешение, тем точнее воспроизводятся детали изображения. Однако при этом соответственно возрастает и время печати (исключением являются лазерные принтеры);

● скорость печати. Единицей измерения скорости печати информации служит количество символов в секунду, cps (characters per second), а при листовой печати — показатель страниц в минуту, ррт (pages per minute). Как правило, ррт указывается для страниц формата А4.

Матричные принтеры

В матричных принтерах изображение формируется из точек ударным способом, поэтому их более правильно называть ударно-матричные принтеры, тем более, что и прочие типы знакосинтезирующих принтеров тоже чаще всего используют матричное формирование символов, но безударным способом. Тем не менее, «матричные принтеры»  это их общепринятое название, поэтому и будем его придерживаться.

В игольчатых (ударных) матричных принтерах печать точек осуществляется тонкими иглами, ударяющими бумагу через красящую ленту. Каждая игла управляется собственным электромагнитом. Печатающий узел перемещается в горизонтальном направлении листа, и знаки в строке печатаются последовательно. Многие принтеры выполняют печать как при прямом, так и при обратном ходе. Количество иголок в печатающей головке определяет качество печати. Недорогие принтеры — это 9-игольчатые. Матрица символов в таких принтерах имеет размерность 7 х 9 или 9 х 9 точек. Более совершенные матричные принтеры оснащены 18 и даже  иглами.

Качество печати матричных принтеров определяется также возможностью вывода точек в процессе печати с частичным перекрытием за несколько проходов печатающей головки.

В принтерах с различным числом иголок разные режимы печати реализуются по-разному. В 9-игольчатых принтерах печать в режиме Огай выполняется за один проход печатающей головки по строке. Это самый быстрый режим печати, но зато он характеризуется самым низким качеством. Режим NLQ реализуется за два прохода: после первого прохода головки бумага протягивается на расстояние, соответствующее половинному размеру точки; затем совершается второй проход с частичным перекрытием точек. При этом скорость печати уменьшается вдвое. Переключение режимов работы матричных принтеров и смена шрифтов могут осуществляться как программно, так и аппаратно посредством нажатия имеющихся на устройствах клавиш и/или соответствующей установки переключателей. Быстродействие матричных принтеров при печати текста в режиме Draft находится в пределах от 100 до 500 cps, что соответствует примерно двум страницам в минуту (с учетом смены листов). У специальных, дорогих принтеров скорость доходит и до 1000 cps.

Разрешающая способность до 360 х 360 dpi (первое число по вертикали, второе — по горизонтали).

Достоинства матричных принтеров: низкая стоимость как самого принтера, так и расходных материалов для него; возможность одновременной печати нескольких копий.

Недостатки: невысокие качество и скорость печати, а также шум при печати.

Струйные принтеры

Это самые распространенные в настоящее время принтеры. Струйные принтеры в печатающей головке вместо иголок имеют тонкие трубочки — сопла, через которые на бумагу выбрасываются мельчайшие капельки красителя (чернил). Это безударные печатающие устройства. Матрица печатающей головки обычно содержит от 12 до 64 сопел (дюз), но есть исключения (принтер Epson Stylus С62 имеет 144 дюзы).

В последние годы в их совершенствовании достигнут существенный прогресс: при формировании изображения используют направленное взрывоподобное распыление капелек чернил на бумагу при помощи мельчайших сопел печатающей головки — так называемой «пузырьковой» технологии струйной печати. Технически процесс распыления выглядит следующим образом. В стенку сопла встроен электрический нагревательный элемент, температура которого при подаче электрического импульса резко возрастает за 5 — 10 мкс. Все чернила, находящиеся в контакте с нагревательным элементом, мгновенно испаряются, что вызывает резкое повышение давления, под действием которого чернила выстреливаются из сопла на бумагу. После «выстрела» чернильные пары конденсируются, в сопле образуется зона пониженного давления и в него всасывается новая порция чернил. Эта новая технология произвела переворот в мире струйных принтеров и плоттеров, позволив почти на порядок. увеличить их разрешающую способность (до 600 — 1440 dpi). Термоструйные головки заменяются вместе с картриджем. В настоящее время на рынке струйных принтеров доминируют изделия фирм Epson, Hewlett — Packard, Сапов, Lexmark. Технологии термической пузырьковой печати придерживается большинством фирм-производителей принтеров, в том числе Canon, Hewlett — Packard, Lexmark и т. д.

Фирма Epson разработала и применяет несколько модифицированный вариант этой печати: используется оригинальная пьезоэлектрическая технология Micro- Piezo, в основе которой лежат свойства пьезокристалла. Печатающая головка принтера содержит многочисленные маленькие пьезокристаллы, размещенные у оснований сопел головки.

Под действием электрического тока кристалл может изменять форму с большой скоростью, создавая механическое давление в сопле, и, тем самым, заставляя выстреливать чернила на поверхность бумаги. Данная технология позволяет управлять процессом формирования точки (форма и размер) и позиционированием ее на листе. Технология MicroPiezo обеспечивает разрешение печати также до 1440 dpi. У принтеров Epson при замене картриджа пьезоструйные головки не меняются, то есть расходные материалы у них обходятся дешевле. Но сами принтеры стоят несколько дороже, чем HP и Сапоп.

Струйные принтеры, обладая большим количеством сопел в пишущей головке, выполняют и цветную печать, но разрешающая способность при этом по сравнению с черно-белыми уменьшается примерно в 2 раза. Для создания цветного изображения используется обычно принятая в полиграфии цветовая схема CMYK, включающая четыре базовых цвета: Cyan — голубой (оттенок — циан), Magenta— пурпурный (оттенок — малиновый), Yellow — желтый, Black — черный. Сложные цвета образуются смешением базовых. Качество печати на соответствующей бумаге великолепное — полноцветной плакат практически неотличим от типографского.

Основные достоинства струйных принтеров:

●высокое качество печати, для принтеров с большим количеством сопел — до 720 х 1440 dpi (у лучших принтеров до 1200 х 2880 dpi — величина, характерная для лазерных принтеров);

● высокая скорость печати — до 10 ppm;

● использование обычной бумаги, хотя и хорошей плотности (от 60 до 135 г/м'), чтобы не растекались чернила;

● бесшумность работы.

● основными недостатками струйных принтеров являются:

● опасность засыхания чернил внутри сопла, что иногда приводит к необходимости замены печатающей головки;

● высокая стоимость расходных материалов, в частности, баллончика для чернил, особенно если он объединен с печатающей головкой и заменяется совместно с ней (такая конструкция характерна для термоструйных головок).

В табл. 7.12 приведены основные характеристики типичных представителей струйных принтеров.

Лазерные принтеры

Лазерные принтеры обеспечивают наиболее качественную печать с наивысшим разрешением и скоростью. В них применяется электрографический способ формирования изображений, используемый в одноименных копировальных аппаратах. Выпускаются лазерные принтеры двух основных модификаций: лазерные и светодиодные. В лазерных принтерах для создания сверхтонкого светового луча, вычерчивающего на поверхности предварительно заряженного светочувствительного барабана контуры невидимого точечного электронного изображения, служит лазер. В светодиодных принтерах — LED-принтерах (LE13 — Light Emitting Diode) — роль источника лазерного луча выполняет светодиодная панель.

С засвеченных на поверхности барабана лучом лазера или светодиодами точек стекает электрический заряд. После проявления электронного изображения порошком красителя (тонера), налипающего на разряженные участки, выполняется печать — перенос тонера с барабана на бумагу и закрепление изображения на бумаге разогревом тонера до его расплавления. Широко используются и цветные лазерные принтеры. Цветная печать обеспечивается применением разноцветного тонера по модели CТYK. Если сравнить лазерные и светодиодные принтеры между собой, то можно сказать следующее. Теоретически светодиодная технология более надежна, поскольку является более простой. Ведь недаром фирма OKI дает на светодиодные панели в своих принтерах пожизненную гарантию. Кроме того, принтеры со светодиодной панелью более компактны. Однако на практике большинство производителей предпочитает лазерную технологию: светодиодную технологию используют только фирмы OKI и Panasonic. Лазерные принтеры работают быстрее, а светодиодные более дешевы.

Лазерные принтеры, кроме механической части, включают в себя достаточно серьезную электронику. В частности, на принтерах устанавливается память большого объема, для того чтобы не загружать компьютер и хранить задания в своей памяти. Одним из важных параметров лазерного принтера является объем его внутренней оперативной памяти. Изображение перед печатью должно быть загружено во внутреннюю память принтера в виде растрового (bitmap) представления. Для цветных принтеров требуемый объем внутренней памяти возрастает примерно в 3 раза. Еще больше возрастает объем необходимой памяти при печати полутоновых картинок: в 8 раз для монохромно

го изображения и в 24 раза для полноцветного изображения. Правда, сжатие данных может снизить требования к оперативной памяти принтера.

Следует также отметить, что встроенные шрифты позволяют генерировать принтеру растровое представление по мере надобности, и тогда неважно, сколько у принтера внутренней памяти. Помимо модулей оперативной памяти, на многих моделях лазерных принтеров устанавливаются и жесткие диски. Достоинства лазерных принтеров:

● высокая скорость печати (от 4 до 40 и выше страниц в минуту);

● скорость печати не зависит от разрешения;

● высокое качество печати до 2880 dpi (но 700 dpi лазерного цветного принтера сравнимы с 1400 dpi струйного);

● низкая себестоимость копии (на втором месте после матричных принтеров);

● бесшумность.

Недостатки лазерных принтеров:

● высокая цена принтеров, особенно цветных;

● большое потребление электроэнергии. 

В табл. 7.13 приведены характеристики некоторых принтеров этой категории.

Термопринтеры

Термопринтеры относятся также к группе матричных принтеров. В них используется термоматрица и специальная термобумага или термокопирка. Принцип действия термопринтера весьма прост. Печатающий элемент представляет собой панель с нагреваемыми элементами — термоматрицу. В зависимости от подаваемого изображения нагреваются те или иные элементы, которые заставляют темнеть специальную термобумагу в месте нагрева. Достоинством данного типа принтеров является то, что им не нужны никакие расходные материалы, кроме специальной бумаги. Недостатки: необходимость использования дорогостоящей специальной бумаги (или копирки); невысокая скорость печати, недолговечность отпечатанных документов (темнеют со временем).

Твердочернильные принтеры

Твердочернильная технология разработана фирмой Tektronix, являющейся частью компании Xerox. Красители, используемые в твердочернильном принтере, представляют собой твердые кубики цветов СТУК. Добавлять их можно даже во время печати. Кубики каждого цвета имеют собственное отделение. Чернила расплавляются и подаются в широкую печатающую головку. Головка создает изображение на алюминиевом барабане, с которого оно полностью переносится на бумагу. Для того чтобы чернила не застывали на барабане, их подогревают. Ширина печатающей головки равна ширине листа. Наиболее интересной в данном принтере является печатающая головка, представляющая собой блок сопел (по 112 на каждый цвет), снабженных пьезоэлементами. При срабатывании пьезоэлемента капля расплавленных чернил попадает на барабан. Скорость печати в цвете доходит до 14 ррт.

Сервисные устройства

Быстродействующие принтеры, как уже отмечалось, имеют собственную буферную память, используемую как при обмене данными с ПК, так и для хранения загружаемых шрифтов. Память у матричных принтеров небольшая — до нескольких сотен килобайтов, у струйных — до нескольких мегабайтов и у лазерных- до десятка мегабайтов.

Большинство принтеров имеют сервисные устройства, такие как:

● автоподатчик документов;

● дуплекс — устройство, обеспечивающее двустороннюю печать;

● финишные устройства (сортировщики, степлеры, резаки и т. д.). Эти устройства предназначены для послепечатной обработки документа (сортировка, сшивание или складывание печатных документов);

● дополнительные лотки — служат для того, чтобы вам как можно реже приходилось подходить к принтеру для зарядки его бумагой.

К ПК принтеры могут подключаться через параллельный или последовательный порты.

Параллельные порты используются для подключения параллельно работающих принтеров (воспринимающих информацию сразу по байту) через адаптеры типа Centponics (обычно одновременно можно подключить до 3 принтеров).

Последовательные порты служат для подключения последовательно работающих принтеров (воспринимающих информацию последовательно, по 1 биту) через адаптеры типа RS-232 (стык С2). Большинство быстродействующих принтеров подсоединяются к параллельным портам, но при наличии современных последовательных интерфейсов типа USB часто подключаются и к ним.

Сетевой принтер

Сетевой принтер — принтер, имеющий IP-адрес, и таким образом, являющийся своеобразным web-сайтом. К такому принтеру можно обращаться через IP-адрес с помощью обычного браузера, извлекать полную информацию о текущем состоянии и производить настройку принтера.

Между сетевым принтером и обычным принтером в сети, используемым несколькими пользователями, есть разница. Сетевые принтеры обычно быстрее работают, рассчитаны на большую нагрузку, содержат больше лотков для бумаги, зачастую имеют дуплексное устройство (для печати с двух сторон листа), собственный жесткий диск для хранения часто печатаемых документов. Но основное отличие сетевого принтера от обычного — это то, что сетевой принтер оснащен встроенной сетевой картой. Его не нужно подключать к компьютеру, он работает автономно. Это дает существенные преимущества:

● не нужно держать постоянно включенным какой-то конкретный компьютер;

● скорость передачи по сети в несколько раз превосходит скорость передачи по параллельному интерфейсу.

В заключение перечислим основные рейтинговые показатели принтеров:

● набор функциональных возможностей, по которым можно оценить применимость принтера для решения конкретных задач (размеры печатаемых документов, объемы выполняемых работ, русификация, наличие нужных шрифтов и т. д.);

● возможность формирования цветного изображения;

● качество изображения (разрешающая способность);

● производительность (скорость печати);

● надежность и удобство работы, уровень сервиса;

● эксплуатационные затраты, включающие стоимость носителя, расходных материалов, обслуживания устройства, потребление электроэнергии;

● стоимость принтера.

Сканеры

Сканер — это устройство ввода в компьютер информации непосредственно с бумажного документа. Это могут быть тексты, схемы, рисунки, графики, фотографии и другая информация. Сканер, подобно копировальному аппарату, создает копию изображения бумажного документа, но не на бумаге, а в электронном виде формируется электронная копия изображения.

Сканеры являются важнейшим звеном электронных систем обработки документов и необходимым элементом любого «электронного стола». Записывая результат

ы своей деятельности в файлы и вводя информацию с бумажных документов в ПК с помощью сканера, объединенного с системой автоматического распознавания образов, можно сделать реальный шаг к созданию систем безбумажного делопроизводства.

Сканеры весьма разнообразны, и их можно классифицировать по целому ряду признаков. Прежде всего, сканеры бывают черно-белые и цветные.

Черно-белые сканеры позволяют считывать штриховые изображения и полутоновые. Штриховые изображения не передают полутонов, или, иначе, градаций серого. Полутоновые способны распознать и передать 16, 64 или 256 уровней серого цвета.

Цветные сканеры работают и с черно-белыми, и с цветными оригиналами. В первом случае они так же пригодны для считывания и штриховых, и полутоновых изображений.

В цветных сканерах используется цветовая модель RGB (Red — Green — Blue): сканируемое изображение освещается через вращающийся RGB-светофильтр или от последовательно зажигаемых трех цветных ламп; сигнал, соответствующий каждому основному цвету, обрабатывается отдельно.

Число передаваемых цветов колеблется от 256 до 65 536 (стандарт HighColor) и даже до 16,7 миллионов (стандарт TrueColor).

Разрешающая способность сканеров измеряется в количестве различаемых точек на дюйм изображения и составляет от 75 до 1600 dpi (dots per inch).

По конструктивному исполнению сканеры делятся на ручные (hand-held) и настольные (desktop). Есть и комбинированные устройства, сочетающие в себе возможности обоих типов.

Настольные, в свою очередь, классифицируются на планшетные (flatbed), с по листовой подачей (роликовые, sheet- ) и проекционные (overhead).

Особняком стоят слайд-сканеры, считывающие изображение с прозрачных носителей.

Основные характеристики сканеров.

● Оптическое разрешение — определяется как количество светочувствительных элементов в сканирующей головке, поделенное на ширину рабочей области. Выражается в точках на дюйм (dots per inch, dpi). Высокое разрешение необходимо, как правило, только для комфортного визуального восприятия. Для нормальной работы программ распознавания образов (см. ниже) вполне достаточно величины 300 dpi, а для публикации картинок на web-сайтах и того меньше — 80 dpi.

● Интерполяционное (программное, логическое) разрешение — произвольно выбранное разрешение, для получения которого драйвер сканера рассчитывает недостающие точки.

● Разрядность (глубина цвета) — определяет степень подробности информации об отсканированной точке изображения. Чем больше разрядов (битов) используется для представления отдельной точки изображения, тем более подробна информация о ней. Так, например, глубине цвета в один бит соответствуют два цвета — черный и белый, и, соответственно, точка может быть или черной, или белой. Восьми битам соответствует 256 цветов (как правило, это градации серого). Достаточной глубиной цвета является 24 бит, когда на каждый компонент цвета — красный, синий, зеленый — отводится 8 бит и, соответственно, 256 градаций. В совокупности это дает 16,7 млн. возможных комбинаций цветов. Более тонкие оттенки человеческий глаз не различает.

● Динамический диапазон сканера характеризует его способность различать близлежащие оттенки (прежде всего это касается темных областей оригинала). Динамический диапазон можно определить как разницу между самым светлым оттенком, который сканер отличает от белого, и самым темным, но отличимым от черного. Измеряется динамический диапазон в специальных единицах, именуемых D. Теоретически 24-разрядный сканер может иметь диапазон 2,4 О, а 36-разрядный — 3,2 D. Для повседневной работы вполне достаточна  величина и 2,4 D, и лишь для художественных цветных и полутоновых изображений требуется 3,0 D.

● Скорость сканирования определяется по-разному: и в миллиметрах в секунду, и в листах в минуту, но чаще в количестве секунд, затрачиваемых на сканирование одной страницы. Следует иметь в виду, что связь между скоростью сканирования и качеством получаемого изображения в большинстве  случаев отсутствует. Равно как и связь между скоростью сканирования цветного и черно-белого изображений.

Типы сканеров

Ручные сканеры конструктивно самые простые: они состоят из линейки светодиодов и источника света, помещенных в единый корпус. Перемещение по изображению такого сканера выполняется вручную.

С их помощью за один проход вводится лишь небольшое количество строчек изображения (полоса захвата обычно не превышает 105 мм). У ручных сканеров имеется индикатор, предупреждающий оператора о превышении допустимой скорости сканирования. Эти сканеры имеют малые габариты и низкую стоимость. Скорость  сканирования составляет 5 — 50 мм/с (зависит от разрешающей способности). Например, сканеры Mustek: GS-400L — черно-белый полутоновый, CG-8400Т  цветной.

Планшетные сканеры — самые распространенные; в них сканирующая головка

(линейка светодиодов) перемещается относительно оригинала автоматически; они позволяют обрабатывать и листовые, и сброшюрованные (книги) документы. Принцип работы планшетных сканеров заключается в следующем. Сканируемый  оригинал помещается на прозрачном неподвижном стекле. Вдоль него передвигается сканирующая головка с источником света. Оптическая система планшетного сканера проецирует световой поток, отражаемый от сканируемого оригинала, на сканирующую головку, состоящую из трех параллельных линеек светочувствительных элементов (CCD-матрица). Каждая линейка принимает информацию  о своем цвете — красном (Red), зеленом (Green), синем (Blue). В сканирующей  головке уровни освещенности преобразуются в уровни напряжения (аналоговый сигнал). Затем, после коррекции и обработки, аналоговый сигнал преобразуется в цифровой с помощью аналого-цифрового преобразователя. Цифровой сигнал поступает в компьютер, где данные, соответствующие изображению оригинала, обрабатываются и преобразовываются под управлением драйвера сканера.

Скорость сканирования: 2 — 10 секунд на страницу (формат А4). Примером могут служить цветные сканеры: Mustek Paragon 1200, Epson ES1200, HP Scanjet 5 S и P, HP Scanjet 11СХ (следует заметить, что подавляющее количество продаж сканеров на российском рынке в последние годы приходится на продукцию фирмы Hewlett — Packard).

Среди сканеров, работающих с документами большого формата, следует выделить популярные сканеры фирмы АбгА, например АУРА Argus П, имеющий физическое разрешение 600 х 1200 dpi (логическое разрешение при использовании интерполирующей технологии UltraView достигает 2400 х 2400 dpi), передающий 4096 оттенков и масштабирующий изображение в 7 — 9 раз.

Листовые сканеры (их также называют страничными, протяжными) наиболее автоматизированы; в них оригинал автоматически перемещается относительно неподвижной сканирующей головки, часто имеется автоматическая подача документов, но сканируемые документы — только листовые.

Достоинствами листовых сканеров являются низкая стоимость и более высокое по сравнению с ручными сканерами качество получаемого изображения. К недостаткам относятся проблемы выравнивания листов и сложности работы с нестандартными листами.

Примером может служить сканер Mustek SF-630 со скоростью 10 секунд на страницу.

Барабанные сканеры чаще всего содержат один датчик, в качестве которого выступает фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Сканируемый оригинал закрепляется на поверхности прозрачного цилиндра, который вращается с большой скоростью. Датчик последовательно, пиксел за пикселом считывает оригинал. Достоинством барабанного сканера является самое высокое качество получаемо- ro изображения, основным недостатком — высокая стоимость.

Проекционные сканеры внешне напоминают фотоувеличитель, но внизу лежит сканируемый документ, а наверху находится сканирующая головка. Сканер оптически снимает информацию с документа и вводит ее в виде файла в память компьютера.

Особую группу составляют слайд-сканеры. Они конструктивно также бывают разные: планшетные, барабанные, проекционные и т. д. Прозрачный оригинал представляет собой пленку с линейным размером стороны прямоугольника от 35 до 300 мм. По характеристикам слайд-сканеры самые качественные: их разрешающая способность обычно лежит в пределах от 2000 до 5000 dpi.

Примером слайд-сканера являются барабанные сканеры, у которых прозрачный оригинал (слайд) обычно размером примерно 200 х 300 мм крепится на вращающийся барабан. У сканера Howtek ScanMaster разрешение равно 4000 dpi, у ScanView ScanMate Magic разрешение 2000 dpi при передаче 4096 оттенков. Наибольшее разрешение имеют сканеры, работающие с малогабаритными слайдами (сторона до 120 мм). У сканера Scitex LeafScan 45 разрешающая способность составляет 5080 dpi при передаче 654 000 оттенков.

В табл. 7.14 приведены некоторые характеристики типовых сканеров.

Форматы представления графической информации в ПК

Существуют два формата представления графической информации:

● растровый;

● векторный. В растровом формате изображение запоминается в файле в виде мозаичного набора множества точек, соответствующих пикселам отображения этого изображения на экране дисплея. Файл, создаваемый сканером, в памяти компьютера имеет растровый формат (так называемая битовая карта — bitmap). Редактировать этот файл средствами стандартных текстовых и графических редакторов не представляется возможным, ибо они не работают с мозаичным представлением информации.

В векторном формате информация идентифицируется характеристиками шрифтов, кодами символов, абзацев и т. п. Стандартные текстовые процессоры предназначены для работы именно с таким представлением информации.

Фундаментальное отличие векторных форматов от растровых можно показать на таком примере: в векторном формате окружность идентифицируется радиусом, координатами своего центра, толщиной и типом линии; в растровом формате хранятся просто последовательные ряды точек, геометрически формирующих окружность.

Следует также иметь в виду, что битовая карта требует очень большого объема памяти для своего хранения. Так, битовая карта с одного листа документа формата А4 (204x297 мм) с разрешением 10 точек/мм и без передачи полутонов (штриховое изображение) занимает около 1 Мбайт памяти, она же при воспроизведении 16 оттенков серого — 4 Мбайт, при воспроизведении цветного качественного изображения (стандарт HighColor — 65 536 цветов) — 16 Мбайт. Иными словами, при использовании стандарта TrueColor и

разрешающей способности 50 точек/мм для хранения даже одной битовой карты может не хватить емкости НМД.

Для сокращения объема памяти, необходимой для хранения битовых карт, используются различные способы сжатия информации. Наиболее распространенный алгоритм растрового уплотнения CCITT Group 4 дает коэффициент сжатия информации до 40:1 (в зависимости от содержимого данных). Другие используемые форматы сжатия: Group 3, CTIFF (Compressed Tagged Image File Format), MPEG, CALS, RLE, GIF и т. д. (файлы имеют соответствующие указанным аббревиатурам расширения).

Форматы без сжатия: Uncompressed TIFF, BMP и др.

Сканер используется обычно совместно с программами распознавания образов— OCR (Optical Character Recognition). Система OCR распознает считанные сканером с документа битовые (мозаичные) контуры символов и кодирует их ASCII- кодами, переводя в удобный для текстовых редакторов формат.

Некоторые системы OCR предварительно нужно обучить — ввести в память сканера шаблоны и прототипы распознаваемых символов и соответствующие им коды. Сложности возникают при различении букв, совпадающих по начертанию в разных алфавитах (например, в латинском (английском) и в русском — кириллица) и разных гарнитур шрифтов. Но большинство систем не требуют обучения: в их памяти уже заранее помещены распознаваемые символы. Так, одна из лучших OCR — FineReader 6.0 — распознает тексты на десятках языков (в том числе языках программирования Basic, С++ и т. д), использует большое число электронных словарей, при распознавании проверяет орфографию, готовит тексты к публикации в Интернете и т. д.

В последние годы появились интеллектуальные программы распознавания образов типа Omnifont, которые опознают символы не по точкам, а по характерной для каждого из них индивидуальной топологии. При наличии системы образов текст записывается в память ПК уже не в виде битовой карты, а в виде кодов, и его можно редактировать обычными текстовыми редакторами. Файлы в растровом формате разумно хранить только в том случае, если:

● документы и соответствующие им файлы не должны редактироваться в процессе их использования;

● документ должен храниться в виде факсимильных копий оригинала (фотографии, рисунки, документы с резолюциями и т. п.);

● имеются технические возможности для хранения и просмотра большого числа огромных (по 1 — 20 Мбайт) файлов.

Основные факторы, учитываемые при выборе сканера:

● размер, цветность и форма (листовые, сброшюрованные и т. д.

● документов, подлежащих сканированию, должны соответствовать возможностям сканера;

● разрешающая способность сканера должна обеспечивать воспроизведение высококачественных твердых копий документов по их электронным образам;

● производительность сканера должна быть достаточно высокой при приемлемом качестве, получаемого изображения;

● должна обеспечиваться минимальная погрешность в размерах получаемого электронного изображения по отношению к оригиналу в случае, если размеры изображения с электронного документа служат основанием для производства расчетов;

 ● необходимо наличие программных средств сжатия растровых файлов при хранении их в памяти компьютера;

● необходимо наличие программных средств распознавания образов (OCR) при хранении векторных файлов в памяти компьютера;

● необходимо наличие программно-аппаратных средств для улучшения качества изображения в растровых файлах (повышения контрастности и яркости изображения, удаления фонового «шуман);

● качество и тип бумаги носителя в известных пределах не должны сильно влиять на качество получаемого электронного изображения;

● работа на сканере должна быть удобной и простой и исключать ошибки при сканировании при неверной заправке носителя;

● учитывается стоимость сканера. Сканер может подключаться к ПК через параллельный (LPT) или последовательный (через интерфейс USB) порт. Для работы со сканером ПК должен иметь специальный драйвер, желательно, драйвер, соответствующий стандарту TWAIN. В последнем случае возможна работа с большим числом TWAIN-совместимых сканеров и обработка файлов поддерживающими стандарт TWAIN программами, например, распространенными графическими редакторами CorelDraw, Adobe Photoshop, MaxMate, Picture Publisher, Photo Finish и т. д.

Дигитайзеры

Дигитайзер (digitaizer), или графический планшет, — это устройство, главным назначением которого является оцифровка изображений. Он состоит из двух частей: основания (планшета) и устройства целеуказания (пера или курсора), перемещаемого по поверхности основания. При нажатии на кнопку курсора его положение на поверхности планшета фиксируется и координаты передаются в компьютер. Дигитайзер может быть использован для ввода рисунка, создаваемого пользователем, в компьютер: пользователь водит пером-курсором по планшету, но изображение появляется не на бумаге, а фиксируется в графическом файле.

Принцип действия дигитайзера основан на фиксации местоположения курсора с помощью встроенной в планшет сетки тоненьких проводников с довольно большим шагом между соседними проводниками (от 3 до 6 мм). Механизм регистрации позволяет получить логический шаг считывания информации, намного, меньше шага сетки (до 100 линий на 1 мм).

Основные характеристики дигитайзеров

Дигитайзеры бывают:

● электростатические;

● электромагнитные.

В электростатических дигитайзерах регистрируется локальное изменение электростатического потенциала сетки под курсором, а в электромагнитных — курсор излучает электромагнитный сигнал, воспринимаемый сеткой. Электромагнитный дигитайзер чувствителен к помехам, создаваемым внешними источниками, например мониторами.

Шаг считывания информации называется разрешением (resolution) дигитайзера. Различаются разрешение физическое и логическое. Предел физического разрешения дигитайзера определяется шагом считывания регистрирующей сетки. Логическое разрешение является переменной величиной в настройке дигитайзера и, как указывалось, может быть значительно меньшим.

Точность дигитайзера (accuracy) определяется погрешностью в определении координат курсора (хотя точность, строго говоря, величина, обратная погрешности и зависит от типа дигитайзера и его конструктивных особенностей). Точность существующих моделей колеблется в пределах от 0,005 до 0,03 дюйма, для электромагнитных дигитайзеров обычно выше, чем для электростатических. На результирующую точность ввода изображения влияет также аккуратность действий оператора, в среднем хороший оператор вносит погрешность не более 0~004 дюйма.

Размер рабочей области (surface sizes) определяется размером активной поверхности дигитайзера.

Скорость обмена (output rate) — скорость передачи координат дигитайзером. Скорость обмена дигитайзера с компьютером зависит от оператора, но обычно ограничивается техническими возможностями устройства на уровне i00 — 200 точек/с. Устройства указания дигитайзеров:

● перо — указочка, снабженная одной, двумя или тремя кнопками. Существуют перья простые и определяющие усилие, с которым наконечник пера прижимается к планшету. Последние часто используются художниками, поскольку могут воспринимать до 256 градаций нажима (от степени нажима зависит толщина линии, цвет в палитре, оттенок цвета). Для реализации таких возможностей необходимы программы Adobe PhotoShop, Aldus PhotoStyler, Autodesk Animator Pro, CorelDraw и т. д;

● курсоры — используются реже, обычно в сложных приложениях. Они бывают 4-, 8-, 12, 16-клавишными. От двух до четырех клавиш из них стандартные, остальные программируются в приложениях, например в AutoCad. Дизайн курсоров самый разный, вплоть до формы мыши. И курсоры, и перья бывают как с проводом, так и без него. Последний вариант удобнее в работе, но требует наличия батареи и, соответственно, дополнительного обслуживания. Исключение составляют. пассивные неизлучающие перья фирмы Wacom.

При выборе дигитайзера следует в первую очередь убедиться в надежности и удобстве устройства указания. Нужно также выбрать размеры рабочего поля — они колеблются от 6 х 8 до 44 х 62 дюйма, оценить необходимую точность передачи координат курсора и сопоставить ее с разрешающей способностью дигитайзера.

Наконец, убедиться в наличии всего необходимого программного обеспечения и, в частности, драйверов.

Основания дигитайзера могут быть жесткие и гибкие, последние имеют меньший вес, компактны при транспортировке и более дешевые.

Примеры дигитайзеров: CalComp DrawingFlex 333641, 334841; ОТСО Roil-up 2024R, 3036R,3648R (гибкие); CalComp DrawingBoard 3400, Summa Grid, Kurta Х1 С, ОТСО Super L22 (жесткие большого формата до 1220 х 1524 мм); CalComp DrawingBoard Ш 34180, Hitachi Puma Pro, ОТСО Ultima, Kurta XLP, Kurta XGT, SummaSketch Ш (жесткие формата АЗ). В табл. 7.15 представлены основные характеристики некоторых дигитайзеров.

Плоттеры

Плоттеры (plotter, графопостроители) — устройства вывода графической информации (чертежей, схем, рисунков, диаграмм и т. д.) из компьютера на бумажный или иной вид носителя. Плоттеры по принципу формирования изображения можно разделить на два класса:

● векторного типа, в которых пишущий узел может перемещаться относительно бумаги сразу по двум координатам, и изображение на бумаге создается непосредственно вычерчиванием нужных прямых и кривых в любых направлениях;

● растрового типа, в которых пишущий узел одновременно перемещается относительно бумаги только в одном направлении, и изображение на бумаге формируется строка за строкой из последовательно наносимых точек.

По принципу действия плоттеры бывают:

● перьевые;

● струйные;

● лазерные;

● термографические;

● электростатические.

Векторные плоттеры бывают только перьевыми, остальные типы плоттеров растровые.

Типы плоттеров

Перьевые плоттеры (pen plotter) — это электромеханические устройства векторного типа, в которых изображение создается путем вычерчивания линий при помощи пишущего элемента, обобщенно называемого пером. В качестве перьев в разных моделях плоттеров используются перья, фибровые и пластиковые стержни (фломастеры), шариковые узлы одноразового и многоразового действия, карандашные грифели и мелки.

Перьевые плоттеры могут быть:

● рулонными;

● планшетными. Рулонные плоттеры более компактны, удобны и точны в работе; они используются наиболее часто для создания крупноформатных чертежей форматов А1 и АО, причем отматывание и отрезание листа чертежа от рулонной бумаги выполняется автоматически. Планшетные плоттеры. обычно используются для создания чертежей формата А3 и меньше.

Перьевые плоттеры, расходующие чернила, обеспечивают высокое качество как однотонных, так и цветных изображений, но имеют невысокую скорость вычерчивания, так как необходимо время на вытекание красителя из пера и его высыхание. Кроме того, пишущие узлы с жидкими красителями требуют регулярного обслуживания и чистки ввиду частого забивания канала подачи красителя твердыми фракциями, в том числе и частицами засохшей краски. При использовании карандашных грифелей качество похуже, но скорость вычерчивания выше и, главное, существенно проще и дешевле обслуживание пишущего узла (просто замена грифеля, приобретаемого в магазине канцтоваров). Фломастерные и шариковые перьевые плоттеры по своим характеристикам занимают промежуточное положение между рассмотренными ранее.

Ведущие фирмы-изготовители перьевых плоттеров: CalComp (создавшая в 1959 году первый в мире плоттер — модель CalComp 565), Hewlett-Packard, Summagraphics, Mutoh (в частности, карандашная модель Mutoh XP 620). Надо сказать, что перьевые плоттеры постепенно и интенсивно вытесняются, в частности, струйными плоттерами.

Струйные плоттеры (inkjet plotter) при формировании изображения направленно распыляют капельки чернил на бумагу при помощи мельчайших сопел печатающей головки — так называемая «пузырьковая» технология струйной печати, описанная кратко при рассмотрении струйных принтеров. Качество чертежей, выполняемых струйными плоттерами, очень высокое. Существуют три разновидности струйных плоттеров:

●монохромные;

● цветные;

● с возможностью цветной печати.

Цветные струйные плоттеры имеют большее количество сопел в пишущей головке, но их разрешающая способность при этом уменьшается примерно в два раза,

Для создания цветного изображения используется обычно принятая в полиграфии цветовая схема CMYK, то есть подразумеваются четыре группы сопел, в каждую из которых поступает краситель определенного цвета: Cyan — голубой, Magenta— пурпурный, Уе11оч — желтый, blacK — черный. Цветные плоттеры часто называют полноцветными, чтобы отличать от плоттеров с возможностью цветной печати. Струйные плотптеры с возможностью цветной печати позволяют делать цветными только линии или  закрашивать же в разные цвета целые области они не умеют.

Примеры струйных плоттеров: Hewlett — Packard НР 220, Summagraphics SummaJet 2М, CalComp TechJet Designer 720 (монохромные); CalComp TechJet Color, Hewlett — Packard НР 650C, Encad Novajet 3 (полноцветные). Скорость вычерчивания у струйных плоттеров также невысока, поэтому для вывода больших объемов графической информации их использовать нецелесообразно.

Электростатические плоттеры (electrostatic plotter) основываются на технологии создания с помощью записывающих головок скрытого потенциального рельефа на поверхности специальной электростатической бумаги и осаждения на этот рельеф жидкого красителя. Для получения цветного изображения процесс вычерчивания повторяется четыре раза (цветовая схема CMYK), что, конечно не очень удобно. Второй существенный недостаток — использование специальной дорогостоящей электростатической бумаги. Качество изображения и скорость рисования у этих плоттеров высокие.

Термографические плоттеры (их часто называют плоттерами прямого вывода изображения — direct imaging plotter) используют специальную термореагентную бумагу, темнеющую под воздействием тепла. Рисунок только монохромный и наносится на нее специальными миниатюрными нагревателями, выполненными в виде «гребенки». Разрешающая способность (до 800 dpi) и скорость вычерчивания (до 50 мм/с) очень высокие; термобумага не слишком дорогая, а сами аппараты простые и не требуют регулярного обслуживания. Поэтому термографические плоттеры получили широкое распространение, в частности, в проектных организациях при больших объемах чертежных работ. Примеры термографических плоттеров: CalComp DrawingMaster 600, CalComp DrawingMaster 800, ОСЕ G9050-S. Выпускаются и термографические плоттеры, использующие термореагентную копирку, при этом возможна цветная печать путем выполнения четырех проходов при копирках разного цвета, но они заметного распространения не получили.

В лазерных плоттерах (laser plotter) в качестве промежуточного носителя служит ' вращающийся барабан, покрытый слоем полупроводника. Заряженные лучом ' лазера области полупроводника притягивают сухой тонер, который потом пере- носится на проходящую под барабаном бумагу. После этого бумага с нанесенным тонером проходит через нагреватель, под действием тепла тонер запекается и закрепляется на бумаге (типичная электрографическая технология). Достоинства лазерных плоттеров очевидны: использование обычной бумаги, высокие качество изображения (разрешение до 800 dpi) и быстродействие (до 50 мм/с), бесшумность и полная автоматизация работы, имеется принципиальная возможность цветной печати, но при этом растет стоимость плоттера. Недавно появились лазерные плоттеры, использующие для нанесения потенциального рельефа на барабан не лазерный луч, а линейку из точечных полупроводниковых. светодиодов (Light Emitting Diode — LED), что сделало плоттер более простым и надежным (так называемые LED-плоттеры). Они также сравнительно дороги, но применяются в сложных системах довольно интенсивно.

Примеры лазерных LED-плоттеров: CalComp Solus4-АО, OCE 9555, JDL 400ОЕ. Плоттеры бывают рулонные и планшетные, многие из них имеют весьма емкую встроенную память (от 2 до 64 Мбайт), дисплей, позволяют выбирать несколько (2-7) форматов данных, имеют ряд других сервисных возможностей. Встроенная память у плоттеров используется для улучшения их функциональных показателей (быстродействие, удобство работы, автономность); в эту буферную память загружается графическая информация, которая обрабатывается процессором плоттера при создании изображения. Для перьевых плоттеров память обеспечивает лишь известную автономность их работы, а для растровых моделей она важна еще и для обеспечения быстродействия, разрешающей способности и формата изображения.

При выборе плоттера следует обратить внимание на следующие аспекты:

●набор функциональных возможностей, по которым можно оценить применимость плоттера для решения конкретных задач (размеры носителей и изображения, объемы выполняемых работ и т. д.);

● возможность формирования цветного изображения;

● качество изображения (разрешающую способность);

● производительность (скорость вычерчивания);

● надежность и удобство работы, уровень сервиса;

● возможность продолжительность автономной работы (без вмешательства оператора);

● эксплуатационные затраты, включающие стоимость носителя, расходных материалов, обслуживания устройства, потребление электроэнергии;

● цена плоттера.

В табл. 7.16 представлены основные характеристики некоторых плоттеров.

Средства мультимедиа

Мультимедиа (multimedia — буквально многосредовость) — область компьютер- ной технологии, связанная с обработкой информации, имеющей различное физическое представление (текст, графика, рисунок, звук, анимация, видео и т. п.) и/или существующей на различных носителях (магнитные и оптические диски, аудио- и видеоленты и т. д.).

Мультимедиа-средства — это комплекс аппаратных и программных средств, позволяющих человеку общаться с компьютером, используя самые разные естественные для себя среды: звук, видео, графику, тексты, анимацию и т. д.

Мультимедиа предоставляет пользователю потрясающие возможности в создании фантастического мира (виртуальной реальности), интерактивного общения с этим миром, когда пользователь выступает не в роли стороннего пассивного созерцателя, а принимает активное участие в разворачивающихся там событиях; причем общение происходит на привычном для пользователя языке — в первую очередь, на языке звуковых и видеообразов.

Рассмотрим понятие виртуальная реальность немного подробнее, поскольку оно часто встречается в литературе, иногда не очень обоснованно. Термин этот предложил, который определил его как «иммерсивную и интерактивную имитацию реалистических и вымышленных сред». Иммерсивность означает полное погружение человека в мир виртуальной реальности, где он должен чувствовать свою принадлежность к нему. Интерактивность подразумевает возможность человека взаимодействовать с находящимися в мире виртуальной реальности объектами в реальном времени.

Иными словами, виртуальная реальность — это некий иллюзорный мир, в который погружается, и с которым взаимодействует человек. Система виртуальной реальности — это совокупность имитационных программных и технических средств, обеспечивающих эти погружение и взаимодействие. Для полного погружения необходимо оградить человека от информации, поступающей из внешнего мира; необходимо ввести стимулы, побуждающие человека пребывать в виртуальном мире. Для обеспечения интерактивности необходимо, чтобы система виртуальной реальности воспринимала управляющие воздействия человека. Побуждающие стимулы и управляющие воздействия должны быть многомодульными, то есть зрительными, звуковыми, осязательными и одоральными (использующими запахи). Для реализации таких требований в современных системах используются разнообразные звуковые и видеотехнологий, в частности, объемные звуковые и видеосистемы (звуковые системы классов «квадро» и «долби», стереодисплеи и стереомыши), а также головные дисплеи — шлемы и очки-телевизоры, «нюхающие» мышки, управляющие перчатки, кибернетические силовые жилеты и другие экзотические устройства, уже существующие сегодня. И все это в совокупности с беспроводными интерфейсами.

Если исключить пока еще редкие «экзотические» устройства, то реально к средствам мультимедиа можно отнести:

● устройства аудио- (речевого) и видео ввода и вывода информации;

● высококачественные звуковые (sound-) и видео- (video-) платы;

● платы видеозахвата (video grabber), снимающие изображение с видеомагнитофона или видеокамеры и вводящие его в ПК;

● высококачественные акустические и видеовоспроизводящие системы с усилителями, звуковыми колонками, большими видеоэкранами;

● широко распространенные уже сейчас сканеры (поскольку они позволяют автоматически вводить в компьютер печатные тексты и рисунки);

● высококачественные принтеры и плоттеры. С большим основанием к средствам мультимедиа можно отнести и внешние запоминающие устройства большой емкости на оптических и цифровых видеодисках, часто используемые для записи звуковой и видеоинформации. Стоимость компакт-дисков (CD) при их массовом тиражировании невысокая, а учитывая их большую емкость (650 Мбайт и более), высокие надежность и долговечность, стоимость хранения информации на CD, для пользователя оказывается несравнимо меньшей, нежели на магнитных дисках. Это уже привело к тому, что большинство программных средств самого разного назначения поставляются на CD. На компакт-дисках организуются обширные базы данных, библиотеки, словари, справочники, энциклопедии, обучающие и развивающие программы по общеобразовательным и специальным предметам.

CD широко используются, например, при изучении иностранных языков, правил дорожного движения, бухгалтерского учета, законодательства вообще и налогового законодательства в частности. И все это сопровождается текстами и рисунками, речевой информацией и мультипликацией, музыкой и видео. В чисто бытовом аспекте CD привлекательны для хранения аудио- и видеозаписей, вместо аудио- и видеокассет. Следует упомянуть, конечно, и об огромном количестве компьютерных игр, многие из которых занимают не один CD.

Таким образом, компакт-диски (а еще в большей мере цифровые видеодиски DVD) открывают доступ к огромным объемам разнообразной и по функциональному назначению, и по среде воспроизведения информации.

Некоторые из названных здесь устройств (CD-ROM, DVD-ROM и RAM, сканеры) уже были рассмотрены ранее. Ниже остановимся лишь на некоторых (нельзя объять необъятное!) устройствах, поддерживающих компьютерные аудио- и видео- технологии.

Системы речевого ввода и вывода информации

Существуют две технологии речевого общения с компьютером:

● системы распознавания речи;

● системы синтеза речи.

Системы распознавания речи

В системах распознавания речи выполняется оцифровка звуковой информации,

ее идентификация с кодами, содержащимися в электронных тезаурусных (иногда многоязычных) словарях, необходимая автоматическая коррекция кодов и генерация соответствующих им символов, слов и предложений, возможный вывод текстов на экран для ручной их коррекции (иногда звуковое воспроизведение) и запись текстов в память машины либо исполнение «услышанных» команд. По характеру распознаваемой речи системы речевого ввода можно разделить на:

● системы, ориентированные на распознавание отдельных слов, команд и вопросов;

● системы распознавания предложений и связной речи;

● системы идентификации по образцу речи.

Системы, ориентированные на распознавание отдельных слов, команд и вопросов

Такие системы часто называют системами речевого управления, поскольку их основная задача — обеспечить выполнение компьютером действий, задаваемых

голосом.

Наибольшее распространение такие системы получили в автоматических телефонных службах. В них можно ввести голосом номер телефона вызываемого абонента или его имя; можно задать простой вопрос автоматической справочной службе и т. д.

Наиболее разработаны системы распознавания чисел, которые можно отнести к средствам распознавания первого поколения. В развитых системах такого рода человек сначала сообщает свой числовой пароль, затем свой числовой идентификатор, и только после этого может назвать число, кодирующее сущность запроса. К средствам второго поколения относятся системы распознавания имен. Основаны эти средства на использовании ключевых слов (имен), хранимых, естественно, в базе данных системы. Множество хранимых слов и ограничивает возможные имена (при вызове телефонного абонента, например) и распознаваемые команды и вопросы. Система Voice Commands компании KurzWeil Applied Intelligence позволяет распознавать около 10 000 слов английского языка, которые после идентификации преобразуются в соответствующие ASCII-последовательности и либо исполняются машиной (если это команды), либо заносятся в файл. Система компании Charles Schwab специализирующейся на предоставлении брокерских услуг участникам фондового рынка, при обработке более 10 000 названий и десятков видов ценных бумаг обеспечивает при распознавании 95-процентную точность (что, конечно, недостаточно, но количество клиентов этой справочной службы не убывает).

Существенно сложнее строятся системы третьего поколения, в которых диалог с пользователем реализуется с помощью голосовых меню. Такие системы основаны на идее обучения: в течение некоторого времени система обучается на большом количестве типовых речевых диалогов (включающих, кстати, и слова-паразиты). В ходе этого обучения создается рабочий словарь и база данных отношений между отдельными словами (база знаний). Примером системы третьего поколения может служить Natural Dialogue System фирмы Philips, используемая швейцарской железнодорожной компанией Swiss Railways для справочной системы, обслуживающей не только железнодорожные, но и автобусные маршруты и паромные переправы.

Системы распознавания предложений и связной речи

Средства мультимедиа этой группы делятся на системы раздельной диктовав и системы распознавания связной речи.

Системы раздельной диктовки проще в разработке и технической реализации но они требуют от пользователя не совсем естественного произнесения фраз

с короткой паузой перед каждым следующим словом. К таким системам относятся, например, Via Voice корпорации IBM, Dragon Dictate фирмы Dragon System. Последняя система позволяет, наряду с прочим, непосредственно надиктовывать текст в программы Word, Word Perfect, Internet Explorer, Netscape Navigator и т. д. Активный словарь системы насчитывает десятки тысяч слов и может пополняться пользователем, скажем, по его профессиональной тематике. В системе дополнительно анализируются спектральные (частотные) характеристики каждой буквы, выделяются и хранятся ее отдельные фонемы (элементы спектра). На основе этого анализа создаются фонетические модели букв и формируемых из них слов. Точность распознавания достигает 90%, а после проверки по словарю еще значительно повышается.

Наиболее сложные проблемы возникают при распознавании связной речи. При произнесении связной речи больше сказывается эмоциональная составляющая вводимой информации, и при слитном произношении слов несколько изменяется их звучание — все это, безусловно, затрудняет распознавание.

Наиболее совершенными системами распознавания слитных текстов можно считать системы распознавания речи: Dragon Naturally Speaking компании Dragon Systems, ViaVoice корпорации IBM и Wildfire фирмы Wildfire Communications, Voice Xpress фирмы Lernout8iHauspie Speech Products. Названные системы позволяют обычно после длительной «тренировки» программы надиктовывать «своим» ПК тексты и отдельные команды, иногда даже разным операторам. Так, система ViaVoice позволяет многие виды работ на компьютере выполнять в речевом режиме. Можно надиктовывать текст (письма, отчеты, статьи) непосредственно в Windows-приложения, открывать и закрывать. компьютерные файлы, ориентироваться в пределах рабочего стола. Такие речевые команды, как file save, file print, scroll up, scroll down безошибочно выполняются компьютером. Скорость ввода текста достигает 140 слов в минуту, что намного больше средней скорости ввода информации с клавиатуры.

Системы идентификации по образцу речи

Идентификация по образцу речи относится к биометрическим технологиям идентификации человека по его уникальным физическим признакам, таким как отпечатки пальцев, рисунок радужной оболочки глаз. Речь, подобно подписи, характеризуется множеством постоянных физических параметров (которые, кстати, существенно меньше меняются со временем, чем внешность человека). Цель систем идентификации по образцу речи — идентифицировать конкретного известного системе пользователя и выявить самозванца. Взаимодействие пользователя с системой идентификации состоит из трех этапов:

● регистрации пользователя с целью запоминания особенностей его голоса и формирования для него речевой модели; 

● тестирования, во время которого выполняется сравнение поступившего образца речи с запомненной речевой моделью пользователя, а также возможное выявление модели самозванца из базы моделей голосов множества прочих людей;

● допуска к работе в системе, если тестирование прошло успешно и пользователь назвал верный пароль.

Механизм распознавания речи

Механизм распознавания речи включает в себя обычно четыре основных блока:

 ●препроцессор;

 ● экстрактор;

 ● компаратор;

 ● интерпретатор.

Препроцессор или модуль сбора данных обеспечивает приведение речевого сигнала к наиболее качественному виду (производится автоматическая регулировка усиления, подавление эхо-сигнала, фиксация наличия или отсутствия речи и интонационного выделения конца фразы и т. п.).

Экстрактор выполняет спектральный анализ сигнала. Акустико-фонетический поток звуков разбивается на короткие кадры (длительностью примерно по 10 мс) и выявляются спектральные характеристики каждого кадра.

Компаратор выполняет акустическое сравнение выявленных характеристик каждого кадра с имеющимися акустико-фонетическими образцами. Сравнение производится на уровнях выявления контекстно-независимых фонем, контекстно зависимых фонем и моделей слов.

Интерпретатор решает задачу наилучшего разбиения полученного от компаратора «алфавитного» потока на слова и фразы.

Системы синтеза речи

Системы речевого вывода информации базируются либо на выборке из словаря готовых оцифрованных звуковых последовательностей, либо на синтезаторах речи. Самым простым вариантом является выборка готовых звуковых последовательностей (как в автоответчике), но ввиду большого размера звуковых файлов вывод большого числа слов в этом случае практически невозможен. В таких простых системах часто используются меню, по которым пользователь может выбрать те высказывания, которые он бы хотел услышать. При наличии нужных записей в базе данных их текст озвучивается. Такие системы находят применение, например, в будильниках, в автомобильных навигационных системах и т. д. Формирование речевого вывода более функционально выполняется полными синтезаторами речи в несколько этапов.

Задачей первого этапа является фильтрация шумовых символов текста (знаков препинания, кавычек, тире, скобок и т. п.). Эта задача решается модулем нормализации, который также обрабатывает контекстно-зависимые сокращения, форматы дат, времени, денежных единиц и т. д.

Модуль преобразования на втором этапе переводит текст из орфографического в фонетический формат (из букв в звуки). Для некоторых языков, например для английского, это непростой процесс, поскольку многие слова произносятся не по буквам, а по особым правилам произношения отдельных буквенных сочетаний. Модуль анализа выполняет одновременно лексикографическую и синтаксическую обработку для выбора варианта произношения, ритма и интонации. Фонетический модуль, получив от модуля анализа фонетическое представление исходного текста, обогащает звучание речи дифтонгами, трифтонгами, четырех звучиями и другими полезными составляющими.

Модуль обработки звука преобразует фонетические данные в звуковые сигналы генерируемые волновые последовательности (с частотой порядка 10 кГц) модулируются фонетическим потоком. На этой стадии выполняется управление громкостью, скоростью речи, тембром голоса.

Среди программ синтеза речи можно назвать шведскую систему Infovox, систему Monologue английской фирмы First Byte, систему Pro ЧегЪе компании Elan Informatique и др.

Компьютерные средства обеспечения звуковых технологий

Компьютерные средства обеспечения звуковых технологий делятся на:

● звуковые карты;

● акустические системы.

Звуковые платы (карты)

Звуковые платы (карты) (sound blaster, sound cards) используются для создания, записи и воспроизведения различных звуковых сигналов: музыки, речи, шумовых эффектов.

В режиме создания звука плата действует как музыкальный инструмент. Звук, создаваемый с помощью звуковой платы, называют «синтезированными

В режиме записи звука плата производит оцифровку звуковых сигналов для последующей их записи в память компьютера.

В режиме воспроизведения звука плата работает аналогично цифровому аудио плейеру, преобразуя считанные из памяти цифровые сигналы в аналоговые.

Функционально плата содержит несколько модулей:

● модуль для записи и воспроизведения звука;

● модуль синтезатора звука;

● модуль интерфейсов.

Модуль записи и воспроизведения звука использует для оцифровки звука аналого-цифровые преобразователи (АЦП), а для обратного преобразования — цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). На качество звука и в том и в другом случае существенно влияет разрядность преобразователей.

Как происходит оцифровка? Аналоговый звуковой сигнал в АЦП измеряется через строго определенные последовательные интервалы времени (интервалы дискретизации), измеренные значения его амплитуды квантуются по уровню (заменяются близлежащими дискретными значениями сигнала) и идентифицируются соответствующими двоичными кодами.

Разрешающая способность АЦП равна наименьшему изменению аналогового сигнала, приводящему к изменению цифрового кода, то есть определяется разрядностью преобразователя, так как чем больше разрядность кода, тем больше разных дискретных значений сигнала и, соответственно, меньшие интервалы амплитуды аналогового сигнала можно отобразить этим кодом.

Таким образом, качество оцифровки, а соответственно, и последующего звучания оцифрованной аудиоинформации, при прочих равных условиях зависит от, разрядности преобразования и частоты дискретизации:

● разрядность преобразования определяет динамический диапазон сигнала;

● частота дискретизации — верхнюю границу диапазона частот звукового сигнала.

Оцифрованный сигнал (его двоичный код) записывается в память машины. При  воспроизведении оцифрованного звука в ЦАП двоичные коды заменяются соответствующими им дискретными значениями сигнала для последующего их усиления и воспроизведения через акустическую систему.

Разрядность преобразователей (и соответственно, звуковых плат) бывает разная —  наиболее распространены 8- и 16-разрядные. Образно выражаясь, 8-разрядные платы обеспечивают качество звучания, характерное для средненьких кассетных магнитофонов, а 16-разрядные — для аудиосистем на компакт-дисках.

Модуль синтезатора звука. Для синтеза звукового сигнала используется два основных метода:

● синтез с помощью частотной модуляции или FM-синтез (Frequency Modulation);

● синтез с использованием таблицы волн (Wave Table) — табличный WT-синтез.

FM-синтез звука осуществляется с использованием специальных генераторов сигналов, называемых операторами. В операторе можно выделить два базовых элемента: фазовый модулятор и генератор огибающей. Фазовый модулятор определяет частоту (высоту) тона, а генератор огибающей — его амплитуду (громкость). Амплитуда сигнала у разных музыкальных инструментов различна. Например, у фортепиано при нажатии произвольной клавиши амплитуда сигнала сначала быстро возрастает (attack), за

тем несколько спадает (decay), после чего следует сравнительно короткий равномерный участок (sustain) и, наконец, происходит достаточно медленный спад амплитуды (release). Вышеназванные фазы сигнала реализуются именно генератором огибающей, который по первым буквам английских терминов этих фаз часто называют генератором ADSR. В общем случае для воспроизведения голоса одного инструмента достаточно двух операторов: 

● первый генерирует колебания несущей частоты, то есть основной тон;

● второй — модулирующую частоту, то есть обертоны.

Но современные звуковые платы способны воспроизводить несколько голосов, например, синтезатор с 18 операторами может имитировать 9 разных голосов.

Многие 16-разрядные звуковые платы используют 4-операторные синтезаторы (например, Yamaha OPLЛ). Звук, синтезированный FM-методом, за счет скудности обертонов имеет обычно некоторый «металлический» оттенок, то есть не похож на звук настоящего музыкального инструмента.

WT-синтез обеспечивает более качественное звучание. В основе этого синтеза лежат записанные заранее и хранящиеся в памяти платы или компьютера образцы звучания музыкальных инструментов. Синтезаторы этого типа (например, Yamaha ОР 4) создают музыку путем манипулирования образцами звучания инструментов (нотами, samples), «зашитыми» в ПЗУ платы или хранящимися на диске ПК. Лучшие звуковые платы позволяют хранить и использовать до 32 Мбайт выборок. При использовании выборок, загружаемых с диска, хорошая плата должна иметь ОЗУ емкостью не менее 1 Мбайт. Выпускаются также табличные расширители, позволяющие увеличить массив задействуемых образцов.

Модуль интерфейсов включает в себя интерфейс музыкальных инструментов, обычно MIDI (Musical Instruments Digital Interface), и средства воспроизведения звука в соответствующем формате. Кроме того, в него могут входить интерфейсы одного или нескольких дисководов CD-ROM. Через этот модуль можно проигрывать компакт-диски, разговаривать через модем и воспроизводить свою собственную компьютерную музыку.

В состав многих звуковых плат кроме названных трех модулей включаются:

● устройство смешения сигналов от различных источников — микшер;

● управление амплитудой смешиваемых сигналов выполняется обычно программным способом;

● модемный и игровой порты, последний обеспечивает качественное звуковое сопровождение компьютерных игр;

● усилители мощности сигнала с регулятором громкости (такие платы имеют два выхода: линейный — до усилителя и конечный — после усилителя).

Сейчас выпускается огромное количество самых разных звуковых карт и расширителей MIDI-файлов. Современные качественные звуковые платы соответствуют стандарту Basic General MIDI, предусматривающему поддержку 128 инструментов и многотонального исполнения — как минимум 16 каналов одновременно. Рекомендовать какую-либо плату однозначно не представляется возможным, можно высказать лишь общие соображения:

● среди недорогих одноплатных звуковых карт заслуживает внимания Sound Galaxy Waverider фирмы Aztech;

● для более требовательных музыкантов рекомендуется расширитель DB50XG

с любой 16-битовой платой, например Sound Blaster Value;

● для особых ценителей качества звучания — Turtle Beath NBS-2000.

Акустические системы

Акустическая система (колонки) является не обязательным, но желательным компонентом мультимедийной системы — при ее использовании восприятие звуковой информации существенно улучшается.

Компьютерные акустические системы, как правило, уступают специализированным Hi-Fi-системам, но качество воспроизведения у них вполне приличное.

Акустические системы бывают пассивными и активными. Пассивные не содержат встроенного усилителя и могут подключаться к звуковым платам, имеющим собственный усилитель (обычно 4 Вт, по 2 Вт на канал) и регулятор громкости.

Активные акустические системы оборудованы усилителем и могут подключаться как к линейному выходу звуковой платы, так и к выходу ее усилителя. Источником питания для встроенного в колонки усилителя является внутренний аккумулятор или блок питания, который, в свою очередь, может быть и внутренним, и внешним. Кроме регулятора громкости активные колонки оснащаются обычно и 3-полосным эквалайзером.

Следует иметь в виду, что к линейному выходу звуковой платы может быть подключен линейный вход усилителя бытового аудиокомплекса.

Компьютерные средства обеспечения видеотехнологий

Для работы с видеоинформацией необходимо иметь функционально более разнообразное оборудование.

Видеоплата — это собственно видеоконтроллер, рассмотренный ранее в разделе «Видеотерминальные устройства», но для поддержки «живого видеом на ней должна быть микросхема графической акселерации, ускоряющая выполнение огромного числа видеоопераций. В принципе, микросхема-акселератор может находиться и на отдельной плате; при использовании в ПК микропроцессоров типа ММХ последний берет некоторые функции ускорения видеоопераций на себя, но акселератор и в этом случае не помешает.

При выборе видеоплаты (видеоконтроллера) для работы с видеоинформацией следует в первую очередь учитывать требуемые разрешающую способность, количество цветов и необходимость акселерации.

Плата видеозахвата (video grabber) выполняет захват кадров видео, их преобразование (в том числе и оцифровку) и запись в память компьютера. Платы видеозахвата бывают двух типов:

● «грабберы» кадров (frame grabber) предназначены для захвата неподвижных изображений;

● платы захвата (capture board) могут монтировать целые видеофильмы. Они позволяют получать в компьютере с видеокамеры или видеомагнитофона, а при наличии тюнера — и с антенны, отдельные телевизионные кадры и их связанные последовательности для дальнейшей обработки и вывода на принтер или обратно на видеоустройство.

При оцифровке видеосигнала формируются огромные массивы информации. Поэтому возникают серьезные проблемы с динамикой процесса, так как для пересылки одного 256-цветного полноэкранного изображения с разрешающей способностью i024 х 768 пикселов необходимо передать около 1 Мбайт данных, что может потребовать до 10 и более секунд. Даже при слабом разрешении (640 х 480 пикселов) объем данных все равно велик — чуть меньше 0,5 Мбайт.

В связи с этим размеры кадров платами видеозахвата уменьшаются: например, при разрешающей способности всего экрана 640 х 480 кадр имеет размер 80 х 60, 160 х 120 (одна шестнадцатая часть экрана, используемая обычно для видео в среде Windows 95), 240 х 180 или 320 х 240 (в пикселах). Существуют высококачественные платы (Creative Lab Video Blaster и т. д.), которые способны воспроизводить видеокадры в полный экран, но и они, как правило, не умеют осуществлять полноэкранный захват.

Ввиду большого объема видеофайлов, они при передаче и записи в память сжимаются (выполняется компрессия видеоданных); при воспроизведении картинки выполняется обратная процедура — декомпрессия. В настоящее время существует несколько методов сжатия данных, реализуемых как программно, так и аппаратно. Средства сжатия данных обычно называют кодеками (CODEC — Compressor- Decompressor или COder-DECoder). Широкое распространение получили, например, кодеки: Motion JPEG, INDEO (INtel viDEO), Cinepak и т. д.

Платы видеозахвата второго типа, несмотря на указанные трудности, открывают широкие перспективы по созданию и обработке динамических изображений в реальном масштабе времени — живого видео.

Общепринятых стандартов на аппаратные средства видеотехнологий пока не разработано, поэтому функции управления (видеоконтроллер), ускорения обработки видеосигнала (акселераторы), захвата видеокадров (евидеограбберыэ) и сжатия информации (кодеки) выполняют как отдельные платы, так и интегрированные платы, поддерживающие сразу несколько функций.

В этом аспекте интересна технология INDEO (ее предшествующая версия — DVI, D®tа1 Video Interactive), позволяющая эффективно работать с видео на персональном компьютере, имеющем даже МП 80486, с использованием только одной платы — карты расширения Intel Smart Video Recorder на базе микропроцессора Intel 750. Она обеспечивает захват, сжатие и запись видеоизображения в файл на жестком диске за один шаг (в реальном времени и без каких-либо других специальных видеоплаты). В отличие от других плат, Intel Smart Video Recorder не использует для видеообработки МП компьютера, а имеет собственный процессор Intel 750, мощность которого достаточна для качественного видео. К тому же, INDEO-технология автоматически адаптирует качество, скорость и разрешение видеоизображения с тем, чтобы полностью использовать возможности компьютера. В частности, она может менять размер кадра в пределах форматов 160 х 120, 240 х 180 и 320 х 240 (в пикселах) при обеспечении до 16,7 млн. различных цветовых оттенков.