ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 31.03.2021
Просмотров: 6844
Скачиваний: 51
436
§ 5. ВНЕШНИЕ УСТРОЙСТВА ЭВМ:
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ
Внешние (или, по другому, периферийные) устройства ЭВМ прошли огромный путь в сво-
ем развитии. Существуй машина времени, инженеры-конструкторы и пользователи ЭВМ 50-х го-
дов, увидев принтер, вряд ли поверили бы, что этот миниатюрный настольный аппарат может де-
лать гораздо больше, чем его предок ростом с человека - АЦПУ (авгоматическое цифровое печа-
тающее устройство), и вообще не поняли бы, чем занимается сканер или «мышь». Возможности
компьютера в значительной степени определяются номенклатурой и производительностью внеш-
них устройств.
5.1. ВНЕШНИЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) обеспечивают долговременное хранение про-
грамм и данных. Наиболее распространены следующие типы ВЗУ: накопители на магнитных дис-
ках (НМД); их разновидности - накопители на гибких магнитных дисках (НГМД) и накопители на
жестких магнитных дисках (НЖМД); накопители на магнитных лентах (НМЛ); накопители на оп-
тических дисках (НОД).
Соответственно, физическими носителями информации, с которыми работают эти устрой-
ства, являются магнитные диски (МД), магнитные ленты (МЛ) и оптические диски (ОД).
Принцип записи информации на магнитных носителях основан на изменении намагничен-
ности отдельных участков магнитного слоя носителя (диска, ленты). Запись осуществляется с по-
мощью магнитной головки: электрические сигналы, возникающие под управлением электронного
блока, возбуждают в ней магнитное поле, воздействующее на носитель и оставляющее намагни-
ченные участки на заранее размеченных дорожках. При считывании информации эти намагничен-
ные участки индуцируют в магнитной головке слабые токи, которые превращаются в двоичный
код, соответствующий ранее записанному.
Накопители на магнитных дисках
включают в себя ряд систем:
• электромеханический привод, обеспечивающий вращение диска;
• блок магнитных головок для чтения-записи;
• системы установки (позиционирования) магнитных головок в нужное для записи или чте-
ния положение;
• электронный блок управления и кодирования сигналов.
НГМД - устройство со сменными дисками (их часто называют «дискетами»). Несмотря на
относительно невысокую информационную емкость дискеты, НГМД продолжают играть важную
роль в качестве ВЗУ, поскольку поддерживают ряд функций, которые не обеспечивают другие на-
копители. Среди них отметим
• возможность транспортировки информации на любые расстояния;
• обеспечение конфиденциальности информации (дискету можно положить в карман сразу
после окончания сеанса работы).
Дискета
-
гибкий тонкий пластиковый диск с нанесенным (чаще всего на обе стороны)
магнитным покрытием, заключенный в достаточно/тверды и - картонный или пластиковый - кон-
верт для предохранения от механических повреждений. Информация на диск наносится вдоль
концентрических окружностей - дорожек. Каждая дорожка разбита на несколько секторов (обычно
9 или 18) - минимально возможных адресуемых участков. Стандартная емкость сектора - 512 байт.
На двухсторонней дискете две одинаковые дорожки по обе стороны диска образуют цилиндр.
Процедура разметки нового диска - нанесение секторов и дорожек -называется форматированием.
Иногда приходится прибегать к переформатированию диска, на котором уже есть информация;
последняя в таком случае практически обречена на уничтожение.
Тип дискеты обычно указывается на ее конверте:
DS (double side) - двухсторонняя;
DD (double density) - двойной плотности;
HD (high density) - высокой плотности.
Возможны сочетания типа DS/DD, DS/HD и др.
Стандартные размеры (диаметры) дискет 133 мм (5,25 дюйма; постепенно выходят из экс-
437
плуатации) и 89 мм (3,5 дюйма). Появились,
но пока не получили широкого распространения,
дискеты диаметром 51 мм.
Важнейшая, с точки зрения пользователя, характеристика дискеты - информационная ем-
кость. Чаще всего она находится в диапазоне от одного до полутора мегабайт, хотя созданы диске-
ты с емкостью до 10 Мбайт. Специальные дискеты для резервного копирования (так называемые
Zip-диски, для работы с которыми нужны особые дисководы) имеют емкость 100 Мбайт и более.
Другие важнейшие характеристики - скорость доступа к определенному участку информации и
скорость записи или считывания информации - определяются не столько самой дискетой, сколько
возможностями НГМД. Доступ к информации осуществляется за время в диапазоне от 0,1 с до 1 с
(что очень велико по сравнению с другими типами дисководов), скорость чтения/записи порядка
50 кбайт/с, что по современным представлениям весьма немного.
Жесткий диск
сделан из сплава на основе алюминия и также покрыт магнитным
слоем. Он помещен в неразборный корпус, встроенный в системный блок компьютера. По
всем профессиональным характеристикам жесткие диски (и соответствующие накопители) значи-
тельно превосходят гибкие: емкость от 20 Мбайт до 10 Гбайт (реально диски с емкостью меньшей,
чем 1 Гбайт, давно не выпускаются), время доступа к конкретной записи в диапазоне от 1 до 100
миллисекунд (мс), скорость чтения/записи порядка 1 Мбайта/с. Скорость вращения дисков велика,
обычно 3600 об/мин, что и обеспечивает относительно короткое время доступа. Однако, жесткий
диск
не предназначен для транспортировки информации,
и это не позволило накопителям на же-
стких дисках вытеснить НГМД.
Первые
накопители на оптических дисках
появились в начале 70-х годов, но широкое
распространение получили значительно позже. Существует несколько разновидностей оптических
дисков, предназначенных для устройств, допускающих только чтение (CD-ROM, т.е. Compact Disk
Reed Only Memory - компакт-диск только для чтения), для устройств, допускающих хотя бы одно-
кратную запись информации на рабочем месте пользователя и для устройств, позволяющих, по-
добно накопителям на магнитных дисках, многократную перезапись информации. CD-ROM диск,
запись на который производится один раз при его создании и не может быть изменена, представ-
ляет собой прозрачную поликарбонатную (вид стекла) пластинку, одна сторона которой покрыта
тончайшей алюминиевой пленкой, играющей роль зеркального отражателя, поверх которой нане-
сен защитный слой лака. Информация на ней представляется подобно тому, как на старых грам-
мофонных пластинках - чередованием углублений и пиков, однако не в аналоговом, а в цифровом
(двоичном) коде. Этот рельеф создается при производстве механическим путем (контактом с твер-
дой пластинкой - матрицей). Информация наносится вдоль тончайших дорожек (радиальная плот-
ность записи более 6000 дорожек/см, что в несколько десятков раз больше, чем для гибкого дис-
ка). Считывание информации осуществляется путем сканирования дорожек лазерным лучом, ко-
торый по-разному отражается от углублений и пиков (по этому отражению восстанавливается за-
писанный двоичный код). Вдоль дорожек оптического диска со скоростью 200 - 500 раз в минуту
пробегает лазерный луч. При создании дисков, позволяющих вести многократную перезапись, до-
минирует магнито-оптический принцип (CD-МО диски). В основу положен следующий физиче-
ский принцип: коэффициент отражения лазерного луча от по-разному намагниченных участков
диска с особым образом нанесенным магнитным покрытием различен. Таким образом запись на
МО-диски магнитная, а считывание - оптическое (лазерным лучом).
Профессиональные характеристики оптических дисков, в общих чертах таковы: емкость
записи и скорость доступа к информации того же порядка, что у жестких дисков. По надежности
хранения информации оптические диски в настоящее время не имеют себе равных.
Все вместе взятое и определяет место НОД в современном мире информационных техноло-
гий: от очень важных, но все-таки факультативных, устройств они становятся обязательной при-
надлежностью компьютеров. По мере снижения стоимости оборудования CD-МО диски могут вы-
теснить гибкие магнитные диски, так как, обладая значительно превосходящими профессиональ-
ными характеристиками, обеспечивают все функции ГМД. Заметим, что ситуация в .этой области
меняется чрезвычайно быстро.
Накопители на магнитных лентах
имели огромное значение для ЭВМ первых поколе-
ний. Собственно, поначалу кроме них надежных накопителей информации большой емкости во-
обще не было. По мере развития ЭВМ НМЛ оттеснялись на периферию в списке ВЗУ, но свое ус-
тойчивое место занимают по сей день (хотя пользователям персональных компьютеров это не
438
очень заметно). Ясно, что по скорости доступа к информации НМЛ всегда будут многократно
проигрывать дисковым накопителям - ведь для того, чтобы считать информацию на некотором
месте ленты, необходимо отмотать предшествующий ее кусок с начала. Однако по-прежнему на
лентах хранят большие объемы информации, которая не является оперативной, но требует очень
надежного хранения, а также конфиденциальности.
На персональных компьютерах иногда используют специальный кассетный накопитель,
размеры которого совпадают с размерами НГМД и который можно вставить на место последнего -
так называемый
стриммер.
Он удобен, например, для переноса информации с жесткого диска од-
ного компьютера на другой, долговременного хранения особо ценных системных и личных про-
грамм и данных.
5.2. УСТРОЙСТВА ВВОДА ИНФОРМАЦИИ
Разумеется, для ввода (и вывода) информации используются все виды ВЗУ. Заметим, что
информация в ВЗУ хранится в виде, недоступном для непосредственного восприятия человеком,
ибо ВЗУ предназначены для промежуточного хранения данных.
Многие другие устройства ввода/вывода, напротив, предназначены для обмена информаци-
ей с человеком.
Важнейшим из устройств ввода, несомненно, является
клавиатура
.
Подавляющее боль-
шинство современных клавиатур являются полноходовыми контактными, т.е. клавиша утаплива-
ется при нажатии и замыкает контакт между двумя металлическими пластинками, покрытыми, во
избежание окисления, пленкой благородного металла. Хорошая клавиатура рассчитана на не-
сколько десятков миллионов нажатий каждой клавиши. При нажатии клавиши генерируется свя-
занный с ней код, заносимый в соответствующий буфер памяти, а при ее отпускании - другой код,
что позволяет перепрограммировать назначение клавиш, вводя новую таблицу соответствия этих
кодов.
Ряд клавиш при совместном нажатии пары из них генерируют специальный код, отличный
от того, который генерируется при нажатии каждой клавиши в отдельности. Это позволяет значи-
тельно увеличить возможности клавиатуры. Вспомним, что для передачи всех возможностей при
байтовой системе кодирования могло бы понадобиться 256 клавиш, чего нет ни на одной клавиа-
туре благодаря указанным совмещениям.
Большинство клавиатур имеют стандартные группы клавиш:
• клавиши пишущей машинки - для ввода букв, цифр и других знаков;
• служебные клавиши, перенацеливающие действия остальных (переключатели регистров,
переходы с латинского шрифта на русский и другие);
•функциональные клавиши Ft - F12 (иногда
их меньше), назначение которых
задает разра-
ботчик прикладной программы;
• дополнительные цифровые клавиши для большего удобства в работе.
Важным свойством клавиатуры, благодаря которому пользователь может работать не один
час подряд, является эргономичность. Этим термином задается совокупность характеристик, оп-
ределяющих удобство (в широком смысле слова) устройства. По отношению к клавиатуре это ди-
зайн, отсутствие бликов, удобное взаиморасположение и размеры клавиш и многое другое.
В состав стандартного оснащения современного персонального компьютера входит
мышь
-
устройство ввода и управления. Конструктивно это коробочка с выступающим внизу шариком,
который, поворачиваясь, вращает взаимно перпендикулярные колесики. Благодаря наличию в них
специальных прорезей оптическая система мыши способна отслеживать и преобразовывать дви-
жение шарика в перемещение курсора на экране компьютера. Две или три клавиши на верхней
стороне мыши позволяют отдавать многочисленные команды, определяемые текущей програм-
мой. То же делает «перевернутая
мышь» - шар (trackball), который монтируется в корпус компью-
тера или клавиатуры.
Есть еще ряд манипуляторов, служащих для ввода информации:
световое перо, джойстик
и т.д. Они второстепенны, решают некоторые ограниченные задачи.
Все чаще рядом с компьютером оказывается
сканер
-
устройство для ввода с листа бумаги
документов (текстов, чертежей и т.д.). Лучик света с огромной скоростью пробегает
по листу, све-
точувствительными датчиками воспринимается яркость (а иногда и цветность) отраженного света
439
и трансформируется в двоичный код. Сканеры бывают цветными и монохромными, с разной раз-
решающей способностью, разным размером обрабатываемых изображений, настольными и руч-
ными. Наиболее совершенные из них весьма дороги.
Несколько слов о вводе текстов с помощью сканера. Всякую информацию сканер воспри-
нимает как графическую. Если это текст, то чтобы компьютер осознал его в таком качестве и по-
зволил далее обрабатывать как текст (например, программами типа «редактор текстов»), нужна
специальная программа распознавания, позволяющая выделить в считанном изображении отдель-
ные символы и сопоставить им соответствующие коды символов. Это - достаточно сложная зада-
ча, но она успешно решается.
Не так давно появились
средства речевого ввода,
которые позволяют пользователю вместо
клавиатуры, мыши и других устройств использовать речевые команды (или проговаривать текст,
который должен быть занесен в память в виде текстового файла). Возможности таких устройств
достаточно ограничены, хотя они постоянно совершенствуются. Проблема не в том, чтобы запи-
сать речь, подвергнуть ее дискретизации и ввести коды в компьютер (при современном уровне
техники это несложно), а чтобы распознать смысл речи и представить ее, например, в текстовой
форме, допускающей последующую компьютерную обработку. Например, программа «Kurzweil
Voice 1.0 for Windows» обеспечивает распознавание (на английском языке) всех речевых команд
для навигации в среде «Windows», а в режиме диктовки текста способна распознать до 40 тысяч
слов, произносимых в среднем для человека темпе речи (требуя, однако, не менее 16 Мбайт ОЗУ и
не менее 50 Мбайт на винчестере лишь для самой себя). Многие специалисты связывают с про-
грессом устройств речевого ввода будущее компьютерной техники, считая такие устройства ве-
дущими элементами ее интеллектуализации.
5.3. УСТРОЙСТВА ВЫВОДА ИНФОРМАЦИИ
Самым популярным из устройств вывода информации является
дисплей
-
устройство визу-
ального отображения текстовой и графической информации. Дисплей относится к числу неотъем-
лемых принадлежностей компьютера. Есть и параллельные термины, обозначающие почти то же
самое: «видеотерминал», «видеомонитор» (хотя есть и смысловые оттенки: «монитор» - устройст-
во управления
чем-то,
«терминал» - удаленное устройство доступа).
Дисплеи классифицируются по нескольким разным параметрам, отражающим их назначе-
ние в конкретной компьютерной системе и возможности. Бывают дисплеи монохромные и цвет-
ные. Монохромный дисплей производит отображение в двух цветах - черном и белом, либо зеле-
ном и черном и т.д. Высококачественный цветной дисплей может воспроизводить десятки основ-
ных цветов и сотни оттенков.
Бывают дисплеи графические и алфавитно-цифровые (впрочем, последние, способные ото-
бражать лишь ограниченный набор основных символов используемого алфавита, почти исчезли из
обычного обихода). Графический дисплей может отображать как символы, так и любое изображе-
ние, которое можно построить
из
отдельных точек в пределах разрешающей способности.
По физическим принципам, лежащим в основе конструкций дисплеев, подавляющее боль-
шинство их относится к дисплеям на базе электронно-лучевых трубок и к жидкокристаллическим
дисплеям (последние особенно часто встречаются у портативных компьютеров). У первых форми-
рование изображения производится
на внутренней поверхности экрана, покрытого слоем люми-
нофора - вещества, светящегося под воздействием электронного луча, генерируемого специальной
«электронной пушкой» и управляемого системами горизонтальной и вертикальной развертки.
Жидкокристаллический экран состоит из крошечных сегментов, заполненных специальным веще-
ством, способным менять отражательную способность под воздействием очень слабого электриче-
ского поля, создаваемого электродами, подходящими к каждому сегменту.
При выводе на экран любого
изображения, независимо от того, в растровом или векторном
форматах оно зафиксировано в графических файлах, в видеопамяти формируется информация
растрового типа, содержащая сведения о цвете каждого пиксела, задающего наиболее мелкую де-
таль изображения. Каждый пиксел однозначно связан с долей видеопамяти - несколькими битами,
в которых программным путем задается яркость (и, при цветном экране, цветность) свечения этого
пиксела. Специальная системная программа десятки раз в секунду считывает содержимое видео-
памяти и обновляет содержимое каждого пиксела, тем самым создавая и поддерживая на экране
440
изображение. В п. 4.3 говорилось о том, как при этом взаимодействуют процессоры - центральный
и контроллер дисплея.
Основные характеристики дисплеев с точки зрения пользователя таковы: разрешающая
способность, число воспроизводимых цветов (для цветного дисплея) или оттенков яркости (для
монохромного). Для алфавитно-цифрового дисплея разрешающая способность - число строк на
экране и символов в каждой строке. Так, дисплей устаревшего отечественного компьютера ДВК-1
(диалоговый вычислительный комплекс) имел разрешающую способность 24х80 символов. Для
графического - это число высвечиваемых точек по горизонтали и вертикали. К примеру, в табл. 4.4
приведены характеристики цветного графического дисплея SVGA (Super Video Grapics Adapter -
видеографический адаптер повышенного разрешения) в нескольких из возможных режимах рабо-
ты.
Таблица 4.4
Характеристики SVGA-монитора
Режим
Разрешающая способность
Число цветов (оттенков
яркости)
Символьный
25х50
256
51х132
256
Графический
768х1024
16
480х640
64
В настоящее время (конец 90-х годов) начался промышленный выпуск плазменных диспле-
ев. В основе - возможность управлять возникновением электрических разрядов в некоторых газах
и сопровождающим их свечением. Такие дисплеи обладают высоким качеством изображения и
могут иметь значительно большие, чем у привычных компьютеров, размеры экранов при неболь-
шой толщине (экран с диагональю около 1 м при толщине 8-10 см).
Огромную роль при выводе информации играют разнообразные печатающие устройства -
принтеры
.
Наличие дисплея на современных компьютерах позволяет, работая в интерактивном
режиме, экономить огромное количество бумаги, но все равно наступает, как правило, момент, ко-
гда необходима, так называемая, «твердая копия» информации - текст, данные, рисунок на бумаге.
В процессе эволюции принтеры прошли следующий путь. Первые копировали пишущую машин-
ку, имея ударные клавиши с буквами, цифрами и т.д. Под управлением процессора та или иная
клавиша наносила удар по красящей ленте, оставляющей след на бумаге. Таких принтеров давно
нет; их прямые наследники - точечно-матричные принтеры ударного типа - располагают переме-
щающейся вдоль строки печатающей головкой, содержащей от 7 до 24 игл, каждая из которых
может независимо от остальных наносить удар по ленте. Это позволяет формировать изображения
как букв и цифр, так и любых других символов, а также достаточно сложные рисунки и чертежи.
Для хранения и подачи ленты используют специальную пластмассовую коробочку -картридж.
Принтеры стали «интеллектуальными», т.е. имеют собственное ОЗУ и электронный блок управле-
ния для того, чтобы разгрузить основное ОЗУ и не отнимать в процессе печати время у централь-
ного процессора.
Особенность современного принтера - возможность поддержки многих шрифтов. Часть
шрифтов «прошита» в памяти принтера и задается нажатием клавиш на его панели, Еще больше
шрифтов являются «загружаемыми», т.е. задаются той программой, которая обращается к устрой-
ствам печати. К примеру, широко распространенный графический редактор «Лексикон» позволяет
пользователю выбирать между «обычным» шрифтом (так называемый шрифт пишущей машинки),
жирным, курсивом (т.е. наклонными символами), жирным курсивом, символами с подчеркивани-
ем и другими шрифтами - в зависимости от версии программы. Следует учесть, что при печати
«собственными» шрифтами принтер обычно работает быстрее, так как комбинации ударов игл
выбираются из знакогенератора принтера; загружаемые шрифты требуют дополнительного време-
ни на загрузку
до начала печати соответствующей программы - знакогенератора; самая медленная
печать осуществляется в графическом режиме, который требует постоянной пересылки в принтер