Файл: Tannenbaum.pdf

Процесс ввода-вывода

113

ронно-лучевых трубок, в которых для развертки луча по экрану используются элек-
трические поля, во многих моделях вместо электрических используются магнит-

ные поля (особенно в дорогостоящих мониторах).

Электронная

пушка

Сетка

Горизонтальная развертка

\

Плоскость

вертикальной

развертки

Обратный ход

вертикальной

развертки

Обратный ход

горизонтальной

развертки

Рис. 2.26. Поперечное сечение электронно-лучевой трубки (а);

схема развертки электронно-лучевой трубки (б)

Для получения на экране изображения из точек внутри электронно-лучевой

трубки находится сетка. Когда на сетку воздействует положительное напряжение,

электроны возбуждаются, луч направляется на экран, который через некоторое
время начинает светиться. Когда используется отрицательное напряжение, элект-
роны отталкиваются и не проходят через сетку, и экран не зажигается. Таким об-

разом напряжение, воздействующее на сетку, вызывает появление соответствую-
щего набора битов на экране. Такой механизм позволяет переводить двоичный

электрический сигнал на дисплей, состоящий из ярких и темных точек.

Жидкокристаллические мониторы

Электронно-лучевые трубки слишком громоздкие и тяжелые для использования

в портативных компьютерах, поэтому для таких экранов необходима совершенно

другая технология. В таких случаях чаще всего используются

 жидкокристалли-

ческие дисплеи.

 Эта технология чрезвычайно сложна, имеет несколько вариантов

воплощения и быстро меняется, поэтому мы из необходимости сделаем ее описа-
ние по возможности кратким и простым.

Жидкие кристаллы представляют собой вязкие органические молекулы, которые

двигаются, как молекулы жидкостей, но при этом имеют структуру, как у кристалла.

Они были открыты австрийским ботаником Рейницером (Rheinitzer) в 1888 году
и впервые стали применяться при изготовлении различных дисплеев (для кальку-

ляторов, часов и т. п.) в 1960 году. Когда молекулы расположены в одну линию,

оптические качества кристалла зависят от направления и поляризации воздей-
ствующего света. При использовании электрического поля линия молекул, а сле-

довательно, и оптические свойства могут изменяться. Если воздействовать лучом
света на жидкий кристалл, интенсивность света, исходящего из самого жидкого

114

Глава 2. Организация компьютерных систем

кристалла, может контролироваться с помощью электричества. Это свойство ис-
пользуется при создании индикаторных дисплеев.

Экран жидкокристаллического дисплея состоит из двух стеклянных параллель-

но расположенных пластин, между которыми находится герметичное простран-
ство с жидким кристаллом. К обеим пластинам подсоединяются прозрачные элек-

троды. Искусственный или естественный свет за задней пластиной освещает экран

изнутри. Электроды, подведенные к пластинам, используются для того, чтобы со-

здать электрические поля в жидком кристалле. На различные части экрана воз-
действует разное напряжение, и таким образом можно контролировать изображе-

ние. К передней и задней пластинам экрана приклеиваются поляроиды, поскольку

технология дисплея требует использования поляризованного света. Общая струк-
тура показана на рис. 2.27,

 а.

В настоящее время используются различные типы жидкокристаллических дис-

плеев, но мы рассмотрим только один из них —

 дисплей со скрученным немати-

ком.

 В этом дисплее на задней пластине находятся крошечные горизонтальные

желобки, а на передней — крошечные вертикальные желобки, как показано на

рис. 2.27,

 б.

 При отсутствии электрического поля молекулы направляются к этим

желобкам. Так как они (желобки) расположены перпендикулярно друг к другу,

молекулы жидкого кристалла оказываются скрученными на 90°.

Жидкий кристалл

Задняя пластина

Задний

электрод

Задний

поляроид

Источник

света

Передняя пластина

Передний

электрод

Передний

jS

 поляроид

Темный

участок

изображения

Светлый

—

*-

 участок

*" изображения

Портативный компьютер

Рис. 2.27. Структура экрана на жидких кристаллах (а); желобки на передней и задней

пластинах, расположенные перпендикулярно друг к другу (б)

На задней пластине дисплея находится горизонтальный поляроид. Он пропус-

кает только горизонтально поляризованный свет. На передней пластине дисплея
находится вертикальный поляроид. Он пропускает только вертикально поляризо-
ванный свет. Если бы между пластинами не было жидкого кристалла, горизон-

Процесс ввода-вывода 115

тально поляризованный свет, пропущенный поляроидом на задней пластине, бло-
кировался бы поляроидом на передней пластине, что делало бы экран полностью
черным.

Однако скрученная кристаллическая структура молекул, сквозь которую про-

ходит свет, разворачивает плоскость поляризации света. При отсутствии элект-
рического поля жидкокристаллический экран будет полностью освещен. Если

подавать напряжение к определенным частям пластины, скрученная структура раз-

рушается, блокируя прохождение света в этих частях.

Для подачи напряжения обычно используются два подхода. В дешевом

 пас-

сивном матричном индикаторе

 оба электрода содержат параллельные провода.

Например, на дисплее размером 640x480 электрод задней пластины содержит

640 вертикальных проводов, а электрод передней пластины — 480 горизонтальных
проводов. Если подавать напряжение на один из вертикальных проводов, а затем

посылать импульсы на один из горизонтальных, можно изменить напряжение в

определенной позиции пиксела и, таким образом, сделать нужную точку темной.

Если то же самое повторить со следующим пикселом и т. д., можно получить тем-

ную полосу развертки, аналогичную полосам в электронно-лучевых трубках. Обыч-
но изображение на экране перерисовывается 60 раз в секунду, чтобы создавалось
впечатление постоянной картинки (так же, как в электронно-лучевых трубках).

Второй подход — применение

 активного матричного индикатора.

 Он стоит го-

раздо дороже, чем пассивный матричный индикатор, но зато дает изображение
лучшего качества, что является большим преимуществом. Вместо двух наборов
перпендикулярно расположенных проводов у активного матричного индикатора

имеется крошечный элемент переключения в каждой позиции пиксела на одном

из электродов. Меняя состояние переключателей, можно создавать на экране про-
извольную комбинацию напряжений в зависимости от комбинации битов.

До сих пор мы описывали, как работают монохромные мониторы. Достаточно

сказать, что цветные мониторы работают на основе тех же общих принципов, что и

монохромные, но детали гораздо сложнее. Чтобы разделить белый цвет на крас-
ный, зеленый и синий, в каждой позиции пиксела используются оптические филь-

тры, поэтому эти цвета могут отображаться независимо друг от друга. Из сочета-
ния этих трех основных цветов можно получить любой цвет.

Символьные терминалы

Обычно используются три типа терминалов: символьные терминалы, графичес-
кие терминалы и терминалы RS-232-C. Все эти терминалы в качестве входных дан-
ных получают набор с клавиатуры, но при этом они отличаются друг от друга тем,
каким образом компьютер обменивается с ними информацией, и тем, каким образом
передаются выходные данные. Ниже мы кратко опишем каждый из этих типов.

В персональном компьютере существует два способа вывода информации на

экран: символьный и графический. На рис. 2.28 показано, как происходит символь-
ное отображение информации на экране (клавиатура считается отдельным устрой-
ством). На серийной плате связи находится область памяти, которая называется

видеопамятью,

 а также несколько электронных устройств для получения доступа

к шине и генерирования видеосигналов.

1 1 6

Глава 2. Организация компьютерных систем

Символ Атрибут

Аналоговый

видеосигнал

Центральный

процессор

Основная

память

\

\ Видеоплата

\ \

А2В2С2

1 Видео-

;

 ОЗУ

Монитор

ABC

Шина

Рис.

 2.28. Схема получения выходного сигнала на экране персонального компьютера

Чтобы отобразить на экране символы, центральный процессор копирует их в

видеопамять в виде байтов. С каждым символом связывается атрибутивный байт,
который описывает, какой именно символ должен быть изображен на экране. Ат-
рибуты могут содержать указания на цвет символа, его интенсивность, а также на

то, мигает он или нет. Таким образом, изображение 25x80 символов требует нали-

чия 4000 байтов видеопамяти (2000 для символов и 2000 для атрибутов). Боль-
шинство плат содержат больше памяти для хранения нескольких изображений.

Видеоплата должна время от времени посылать символы из видео-ОЗУ и по-

рождать необходимый сигнал, чтобы приводить в действие монитор. За один раз

посылается целая строка символов, поэтому можно вычислять отдельные строки
развертки. Этот сигнал является аналоговым сигналом с высокой частотой, и он
контролирует развертку электронного луча, который рисует символы на экране.
Так как выходными данными платы является видеосигнал, монитор должен нахо-

диться не дальше, чем в нескольких метрах от компьютера, чтобы предотвратить

искажение.

Графические терминалы

При втором способе вывода информации на экран видеопамять рассматривается
не как массив символов 25x80, а как массив элементов изображения, которые на-

зываются

 пикселами.

 Каждый пиксел может быть включен или выключен. Он пред-

ставляет один элемент информации. В персональных компьютерах монитор мо-
жет содержать 640x480 пикселов, но чаще используются мониторы 800x600 и более.

Мониторы рабочих станций обычно содержат 1280x960 пикселов и более. Терми-
налы, отображающие биты, а не символы, называются

 графическими терминала-

ми.

 Все современные видеоплаты могут работать или как символьные, или как гра-

фические терминалы под контролем программного обеспечения.

Основная идея работы терминала показана на рис. 2.28. Однако в случае с гра-

фическим изображением видео-ОЗУ рассматривается как большой массив битов.

Программное обеспечение может задавать любую комбинацию битов, и она сразу

же будет отображаться на экране. Чтобы нарисовать символы, программное обеспе-

чение может, например, назначить для каждого символа прямоугольник 9x14 и за-

полнять его необходимыми битами. Такой подход позволяет программному обес-
печению создавать разнообразные шрифты и сочетать их по желанию. Аппаратное

обеспечение только отображает на экране массив битов. Для цветных мониторов

каждый пиксел содержит 8, 16 или 24 бита.

Процесс ввода-вывода 117

Графические терминалы обычно используются для поддержки мониторов, со-

держащих несколько окон.

 Окном

 называется область экрана, используемая од-

ной программой. Если одновременно работает несколько программ, на экране по-
является несколько окон, при этом каждая программа отображает результаты

независимо от других программ.

Хотя графические терминалы универсальны, у них есть два больших недостат-

ка. Во-первых, они требуют большого объема видео-ОЗУ. В настоящее время обыч-
но используются мониторы 640x480 (VGA), 800x600 (SVGA), 1024x768 (XVGA)
и 1280x960. Отметим, что у всех этих мониторов отношение ширины и высоты 4:3,
что соответствует соотношению сторон телевизионных экранов. Чтобы получить
цвет, необходимо 8 битов для каждого из трех основных цветов, или 3 байта на

пиксел. Следовательно, для монитора 1024x768 требуется 2,3 Мбайт видео-ОЗУ.

Из-за требования такого большого объема памяти приходится идти на компро-

мисс. При этом для указания цвета используется 8-битный номер. Этот номер явля-

ется индексом таблицы аппаратного обеспечения, которая называется цветовой

палитрой

 и включает в себя 256 разделов, каждый из которых содержит 24 бита.

Биты указывают на сочетание красного, зеленого и синего цветов. Такой подход,

называемый

 индексацией цветов,

 сокращает необходимый объем видео-ОЗУ на

2/3, но допускает только 256 цветов. Обычно каждое окно на экране отображается

отдельно, но при этом используется только одна цветовая палитра. К тому же, ко-
гда на экране присутствуют несколько окон, правильно передаются цвета только

одного из них.

Второй недостаток графических терминалов — низкая производительность.

Поскольку программисты осознали, что они могут управлять каждым пикселом
во времени и пространстве, они, естественно, хотят осуществить эту возможность.

Хотя данные могут копироваться из видео-ОЗУ на монитор без прохождения че-

рез главную шину, при доставке данных в видео-ОЗУ без использования шины не
обойтись. Чтобы отобразить цветное изображение на полный экран размером

1024x768, необходимо копировать 2,3 Мбайт данных в видео-ОЗУ для каждого

кадра. Для двигающегося видеоизображения должно сменяться по крайней мере
25 кадров в секунду, а скорость передачи данных должна составлять 57,6 Мбайт/с.
Шина (E)ISA не может выдержать такую нагрузку, поэтому необходимо исполь-

зовать видеокарты PCI, но даже в этом случае приходится идти на компромисс.

Еще одна проблема, связанная с производительностью, — как прокручивать эк-

ран. Можно скопировать все биты в программное обеспечение, но это очень силь-

но перегрузит центральный процессор. Не удивительно, что многие видеокарты

оснащены специальным аппаратным обеспечением, которое двигает части экрана
не с помощью копирования битов, а путем изменения базовых регистров.

Терминалы RS-232-C

Одни компании производят компьютеры, а другие выпускают терминалы (особенно

для больших компьютеров). Чтобы (почти) любой терминал мог работать с (почти)
любым компьютером, Ассоциация стандартов в электронной промышленности
разработала стандартный интерфейс для терминалов под названием RS-232-C.

Терминалы RS-232-C содержат стандартизированный разъем с 25 выводами.

Стандарт RS-232-C определяет размер и форму разъема, уровни напряжения и зна-

чение сигнала на каждом выводе.