ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 24.06.2021
Просмотров: 1847
Скачиваний: 5
36
Рис. 6.2. Логический и физический уровни интерфейсов ввода-вывода
В зависимости от степени участия центрального процессора в обмене данными в интерфейсах
может использоваться три способа управления обменом:
• режим сканирования (так называемый «асинхронный» обмен);
• синхронный обмен;
• прямой доступ к памяти.
Для внутреннего интерфейса ЭВМ режим сканирования предусматривает опрос центральным
процессором периферийного устройства (ПФУ): готово ли оно к обмену, и если нет, то продолжается
опрос периферийного устройства (рис. 6.3).
Операция пересылки данных логически слишком проста, чтобы эффективно загружать сложную
быстродействующую аппаратуру процессора, в результате чего в режиме сканирования снижается про-
изводительность вычислительной машины.
Вместе с тем при пересылке блока данных процессору приходится для каждой единицы
передаваемых данных (байт, слово) выполнять довольно много команд (чтобы обеспечить буферизацию
данных, преобразование форматов, подсчет количества переданных данных, формирование адресов в
памяти и т.п.). В результате скорость передачи данных при пересылке блока данных даже через
высокопроизводительный процессор может оказаться неприемлемой для систем управления,
работающих в реальном масштабе времени.
Режим сканирования упрощает подготовку к обмену, но имеет ряд недостатков:
• процессор постоянно задействован и не может выполнять другую работу;
• при большом быстродействии периферийного устройства процессор не успевает организовать
обмен данными.
37
Рис. 6.3. Алгоритм сканирования
В синхронном режиме центральный процессор выполняет основную роль по организации
обмена, но в отличие от режима сканирования не ждет готовности устройства, а осуществляет другую
работу. Когда в нем возникает нужда, внешнее устройство с помощью соответствующего прерывания
обращает на себя внимание центрального процессора.
Для быстрого ввода-вывода блоков данных и разгрузки процессора от управления операциями
ввода-вывода используют прямой доступ к памяти (DMA — Direct Memory Access).
Прямым доступом к памяти называется
способ обмена данными,
обеспечивающий автономно от
процессора установление связи и передачу данных между основной памятью и внешним устройством.
В режиме прямого доступа к памяти используется специализированное устройство —
контроллер прямого доступа к памяти, который перед началом обмена программируется с помощью
центрального процессора: в него передаются адреса основной памяти и количество передаваемых
данных. Затем центральный процессор от контроллера прямого доступа к памяти отключается,
разрешив ему работать, и до окончания обмена может выполнять другую работу. Об окончании обмена
контроллер прямого доступа к памяти сообщает процессору. В этом случае участие центрального
процессора косвенное. Обмен ведет контроллер прямого доступа к памяти. Прямой доступ к памяти
(ПДП):
• освобождает процессор от управления операциями ввода-вывода;
• позволяет осуществлять параллельно во времени выполнение процессором программы с
обменом данными между внешним устройством и основной памятью;
• производит обмен данными со скоростью, ограничиваемой только пропускной способностью
основной памяти и внешним устройством.
ПДП разгружает процессор от обслуживания операций ввода-вывода, способствует увеличению
общей производительности ЭВМ, дает возможность машине более приспособленно работать в системах
реального времени.
2. Системы визуального отображения информации (видеосистемы)
Видеосистемы предназначены для оперативного отображения информации, доведения ее до
сведения оператора ЭВМ. Обычно они состоят из двух частей: монитора и адаптера.
Монитор
служит
для визуализации изображения,
адаптер —
для связи монитора с микропроцессорным комплектом.
Классификацию мониторов можно провести по следующим признакам:---
38
• по используемым физическим эффектам;
• по принципу формирования изображения на экране;
• по способу управления;
• по длительности хранения информации на экране;
• по цветности изображения;
• по эргономическим характеристикам.
По
принципу
формирования
изображения
мониторы
делятся
на
плазменные,
электролюминесцентные, жидкокристаллические и электронно-лучевые.
Плазменные, электролюминесцентные
и
жидкокристаллические
мониторы относятся к
дисплеям с плоским экраном. Для них характерно: экран имеет малые физические размеры, не мерцает,
полностью отсутствует рентгеновское излучение. Мониторы этого вида допускают локальное стирание
и замену информации, имеют малый вес и незначительное потребление энергии, большую
механическую прочность и длительный срок службы.
Плазменные
и
электролюминесцентные мониторы
являются активными, излучающими свет.
Для работы с ними не нужен посторонний источник света.
Жидкокристаллические —
пассивные мониторы. Они работают только при наличии
постороннего источника света и способны работать либо в отраженном, либо в проходящем свете.
Жидкокристаллические мониторы используют способность жидких кристаллов изменять свою
оптическую плотность или отражающую способность под воздействием электрических сигналов.
В плазменной панели элемент изображения образуется в результате газового разряда, который
сопровождается излучением света. Конструктивно панель состоит из трех стеклянных пластин, на две
из которых нанесены тонкие прозрачные проводники (до 2—4 проводников на 1 мм). На одной
пластине проводники расположены горизонтально, на другой — вертикально. Между ними находится
третья стеклянная пластина, в которой в местах пересечения проводников имеются сквозные отверстия.
Эти отверстия при сборке панели заполняются инертным газом. Вертикально и горизонтально
расположенные проводники образуют координатную сетку; на пересечении проводников находятся
элементы изображения — пикселы (picture element). При разрешающей способности 512x512 пиксел
такая панель имеет размеры не более 200x200 мм и толщину 6—8 мм. В настоящее время созданы
цветные плазменные панели с разрешающей способностью экрана 1024x1024 пиксел.
Электролюминесцентные мониторы работают на принципе люминесценции вещества при
воздействии на него электрического поля. Люминесцентное вещество распыляется на внутренней
поверхности одной из пластин с координатной сеткой. Напряжение на координатные шины подается
такое, чтобы на пересечении координатных шин создавалось электрическое поле, достаточное для
возбуждения люминофора.
Наибольшее распространение получили
мониторы на электронно-лучевых трубках.
Электронная лучевая трубка (ЭЛТ) представляет собой электровакуумный прибор в виде стеклянной
колбы, дно которой является экраном. В колбе, из которой удален воздух, расположены электроды:
электронная пушка (катод с электронагревательным элементом), анод, вертикально и горизонтально
отклоняющие пластины и сетка. Снаружи на ЭЛТ установлена фокусирующая система. Внутренняя
поверхность экрана покрыта люминофором, который светится при попадании на него потока
электронов. Катод, поверхность которого покрыта веществом, легко отдающим электроны при
нагревании, является источником электронов. Возле него образуется «электронное облако», которое под
действием электрического поля анода движется в сторону экрана. По мере приближения к аноду
электронный поток увеличивает скорость. Фокусирующая система сжимает поток электронов в тонкий
пучок, который с помощью отклоняющих пластин направляется в нужную точку экрана. Сетка служит
для регулирования плотности электронного потока. Она расположена гораздо ближе к катоду, чем анод.
В зоне ее действия поток электронов имеет небольшую скорость, поэтому она оказывает на поток
электронов влияние, сопоставимое с влиянием анода. Сетка может создать электрическое поле, которое
тормозит электроны, уменьшает их скорость и плотность потока, движущегося в сторону экрана, и даже
может полностью «запереть» трубку, не пропустить поток электронов в сторону экрана.
На отклоняющие пластины ЭЛТ подается пилообразное напряжение, которое отклоняет
электронный луч и заставляет его пробегать по всей поверхности экрана, строка за строкой. На
поверхности экрана появляется развертка, с помощью которой выводится требуемое изображение: в
местах экрана, которые должны оставаться темными, трубка запирается, и электронный луч не доходит
до поверхности экрана.
39
В зависимости от формы напряжения, подаваемого на отклоняющие пластины, и способа его
получения
различаются растровая, матричная и векторная развертки.
Растровая развертка
представляет собой набор сплошных горизонтальных линий, заполняющих
весь экран. Она формируется с помощью аналоговых приборов — генераторов пилообразного напря-
жения, отдельно для строк и отдельно для кадров. Этот вид развертки применяется в телевидении.
Матричная развертка
по внешнему виду похожа на растровую, но формируется она с помощью
цифровых схем (счетчиков), связанных с отклоняющей системой через цифроаналоговые преобразова-
тели. В этом случае электронный луч на экране перемещается не не- прерывно, а скачками — от одного
пиксела к другому. Поэтому он не рисует линию, а высвечивает матрицу точек — пиксел. При такой
развертке легко перевести луч в любую заданную точку экрана — надо только в счетчики строк и
кадров поместить координаты этой точки.
Векторная развертка
используется для рисования сложных фигур с помощью сплошных линий
разной формы. Управление вертикальным и горизонтальным отклонением луча в этом случае
осуществляется с помощью функциональных генераторов, каждый из которых настроен на прорисовку
определенного графического примитива. Состав графических примитивов, из которых строится
изображение, определяется наличием функциональных генераторов.
Максимальное количество строк на экране и количество точек в строке образуют разрешающую
способность монитора:
• низкую: 320x200 (320 пиксел в строке, 200 строк на экране);
• стандартную: 640x200, 640x350 или 640x480;
• высокую: 750x348 или 800x600;
• особо четкую: 1024x768 или 1024x1024 и выше.
Разрешающая способность оказывает значительное влияние на качество изображения на экране,
но качество изображения зависит и от других характеристик: физических размеров элементов изображе-
ния (пиксел, или точек), размеров экрана, частоты развертки, цветовых характеристик и др.
Размер элементов изображения зависит от величины зерен люминофора, напыляемого на экран,
которая измеряется в миллиметрах и образует ряд: 0,42; 0,39; 0,31; 0,28; 0,26 и т. д. Фактически
приведенные цифры характеризуют не диаметр точек люминофора, а расстояние между центрами этих
точек.
Размер экрана, имеющего прямоугольную форму, обычно измеряется по диагонали в дюймах
(12, 14, 15, 17, 21, ...). Для экрана с диагональю 14" длина горизонтальной части экрана составляет
около 10", а вертикальной — около 9". При длине строки 10" (т.е. 257,5 мм) и размере зерна 0,42 мм в
строке может разместиться 613 пиксел. Поэтому на мониторе с размером экрана 14" и размером зерна
0,42 мм невозможно получить разрешающую способность более 613 пиксел в строке при 535 пикселных
строках на экране; монитор может обеспечить лишь стандартную разрешающую способность (не более
640x480). При размере зерна 0,28 мм на 14-дюймовом мониторе максимально можно получить
разрешающую способность 800x600 (зато на 15-дюймовом мониторе размер зерна 0,28 позволяет
обеспечить разрешающую способность 1024x768).
Необходимо отметить, что большее по размерам зерно имеет большую инерционность —
электронный луч дольше «разжигает» такое зерно, но оно и светится дольше. Поэтому в мониторах с
большим размером зерна частота регенерации не должна быть высокой (25 — 30 кадров в секунду
достаточно, чтобы изображение «не мерцало» из-за угасания зерен люминофора). При уменьшении
размеров зерна уменьшается и его инерционность. Поэтому регенерацию экрана в мониторах с зерном
0,26 и меньше приходится проводить чаще (75—100 раз в секунду). Для того чтобы вывести 100 раз в
секунду кадр, содержащий 1000 пиксел в строке и 1000 строк, необходимо обеспечить частоту строчной
развертки 100x1000x1000 = 10
8
Гц = 100 Мгц; частота кадровой развертки при этом составит 100x1000 =
10
5
Гц = = 0,1 Мгц.
По длительности хранения информации на экране
мониторы делятся на регенерируемые и
запоминающие.
В
регенерируемых мониторах
изображение после однократной прорисовки держится на экране
недолго, доли секунды, постепенно угасая. Угасание изображения иногда заметно на глаз (например,
нижние строки могут быть ярче верхних). Для поддержания постоянной яркости изображение
приходится повторно прорисовывать (регенерировать) 20 — 25 раз в секунду, а чтобы яркость в
различных частях экрана не очень отличалась и для снижения полосы пропускания применяют
40
чересстрочную развертку: при каждой прорисовке сначала рисуются нечетные строки, а затем —
четные.
Регенерируемые мониторы незаменимы при визуализации быстро протекающих динамических
процессов.
В запоминающих мониторах
после однократной прорисовки изображение держится на экране в
течение нескольких часов. Для его стирания приходится подавать на экран специальное стирающее
напряжение.
Запоминающие мониторы эффективны там, где выведенное изображение нуждается в
длительной обработке, например подвергается редактированию или должно быть воспринято (изучено)
оператором.
По способу управления яркостью луча
мониторы делятся на цифровые и аналоговые. В
цифровых
мониторах
для управления яркостью на сетку подаются дискретные сигналы, которые в зависимости от
настройки могут полностью запирать трубку (0) или полностью отпирать ее (1); снижать яркость до 1/2
(0) или обеспечивать полную яркость (1) и т.д.
В
аналоговых мониторах
на сетку подается непрерывный (аналоговый) сигнал, который может
плавно изменять яркость от полного запирания до полного отпирания.
По цветности изображения
мониторы делятся на монохромные и цветные.
Цветность монитора на ЭЛТ зависит от люминофорного покрытия экрана. В
монохромном
мониторе
на экране распыляется один люминофор, который и определяет цвет экрана: белый, зеленый
и др. В
цветном мониторе
на экран последовательно напыляются три различных люминофора, каждый
из которых светится под воздействием электронного пучка своим цветом. В цветных мониторах в
качестве основных цветов применяются красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue), в связи с чем
они получили название RGB-мониторы. Люминофоры наносятся в виде точек, образующих цветные
триады на месте каждого пиксела. В цветных ЭЛТ используются три электронные пушки, каждая из
которых может подсвечивать точку только одного цвета. Изменяя интенсивность каждого электронного
пучка, можно регулировать яркость точек в цветных триадах. Но точки, из которых состоит пиксел,
глазом по отдельности не воспринимаются, так как имеют очень малые размеры и расположены близко
друг от друга. Глаз воспринимает их слитно, как одну цветную точку, цвет которой зависит от яркости
ее компонентов.
В аналоговых мониторах для управления цветом может использоваться одна общая сетка,
одновременно воздействующая на все три луча, — такой монитор называется
композитным.
В нем
одновременно с изменением яркости изображения изменяется и цвет. Это один из самых ранних
мониторов, и в настоящее время для получения цветного изображения он не применяется. Самые
большие возможности цветообразования у аналоговых RGB-мониторов с раздельным управлением
яркостью трех лучей. В этих мониторах применяется три сетки, каждая из которых находится в
непосредственной близости от «своей» электронной пушки и управляет интенсивностью только ее луча.
Такие мониторы способны воспроизводить на экране миллионы различных цветов.
В цифровых мониторах управление цветом осуществляется раздельно по каждому лучу. При
использовании трех сеток (на каждую из которых может подаваться один из двух сигналов — 0 или 1)
на экране могут быть воспроизведены 2
3
= 8 цветов (это
цифровой RGB-монитор).
Если, кроме трех таких сеток, в мониторе установлена общая сетка, управляющая
интенсивностью всех трех лучей сразу (сетка интенсивности — Intensity), то такой монитор называется
IRGB-монитором
и способен воспроизвести на экране 2
4
= 16 различных цветов.
В третьей разновидности цветных цифровых мониторов для управления цветом каждого луча
установлено по две сетки. Поскольку сетки находятся на разном расстоянии от электронной пушки, их
влияние на электронный луч различно — одна из сеток может ограничить интенсивность луча на 1/3,
другая — на 2/3, а вместе они способны полностью отпереть или запереть электронный луч. Такой
цифровой монитор называется
RGBrgb-монитором,
он способен воспроизвести на экране 2
6
= 64
различных цвета.
По эргономическим характеристикам
мониторы делятся на: обычные; с пониженным
рентгеновским излучением (LR — Low Radiation) — соответствующие стандарту на ограничение
электромагнитных излучений; с антистатическим экраном (AS); работающие в энергосберегающем
режиме — снижающие потребление энергии в режиме ожидания (Green).
Связь ЭВМ с монитором осуществляется с помощью
адаптера —
устройства, которое должно
обеспечивать совместимость различных мониторов с микропроцессорным комплектом ЭВМ.