Как известно современный компьютер - сложная система, включающая процессор (или процессоры в многопроцессорных системах), предназначенный для выполнения программ и основную (оперативную) память, которая хранит эти программы и результаты, полученные при выполнении программ. К этой части вычислительной системы предъявляются особенно высокие требования по скорости обмена данными. Процессоры работают все на более высокой частоте, память отстает по быстродействию. Изучая организацию памяти вычислительных систем, мы познакомились с методами, которые позволяют увеличить скорость чтения и записи данных. Особенно важно, чтобы необходимые скоростные характеристики обеспечивала система шин вычислительной системы. Мы рассмотрели различные архитектуры процессоров и обратили внимание на то, что контроллер, управляющий работой памяти может быть включен в системный контроллер компьютера, на который перекладывается часть функций процессора по управлению устройствами, образующими компьютер ( как в системах на Pentium4), или контроллер может быть включен в схему процессора (как в системах на процессорах AMD-64). Но это еще не все трудности, которые необходимо преодолеть для того, чтобы сделать компьютер быстрым. Важно обеспечить вывод информации на монитор. Эти задачи возлагаются на видеоподсистему компьютера. Для нормального восприятия изображения человеком необходимо обновлять информации с достаточно высокой скоростью. От видеосистемы требуется отображать в окне потоковое видео, графику высокого разрешения. Все это требует высокой скорости обмена видеосистемы и памяти. Поэтому обычно для подключения видеосистемы выделяется специальная шина. Системный контроллер на сегодняшний день делится на две части. Первая (микросхема, которую называют обычно "северный мост") предназначена для управлением процессом обмена между процессором и оперативной памятью, оперативной памятью и видеосистемой и вторая (микросхему называют "южный мост") - предназначена для обмена с памятью внешних устройств. Специальная шина связывает эти микросхемы между собой, работой памяти управляет контроллер памяти, обычно входящий в северный мост. К южному мосту подсоединяются более медленные устройства, такие, как жесткий диск, он необходим для хранения программ и данных. Как организуется связь жесткого диска с оперативной памятью (организация виртуальной памяти) мы рассматривали ранее, для подключения жесткого диска требуется своя локальная шина, в настоящее время осуществляется переход на последовательные шины в архитектуре компьютера, для подключения жесткого диска применяется SATA (Serial AT Attachment for Disk Drives). Хотя и уходит в прошлое такой вид памяти, как гибкий диск, какое-то время будет сохраняться контроллер гибкого диска и интерфейс для связи с ним. Это медленное устройство ввода/вывода информации, поэтому не стоит вопрос о скоростной шине для обмена с ним. К южному мосту подключается клавиатура. Информацию вводит человек, имеющий очень большую инерцию по сравнению с вычислительной системой и высоких требований к этой шине не предъявляется. В связи со стремлением к стандартизации системы подключения внешних устройств клавиатура и мышь подключаются при помощи USB шины (Universal Serial Bus). Эта шина ( или более скоростная последовательная шина) используется для подключения и других внешних (периферийных) устройств, принтеров, сканеров и т.д. Чтобы иметь представление о работе этих устройств познакомимся коротко с их организацией.

1. Порты ввода вывода

В персональном компьютере любое подключаемое устройство, за исключением оперативной памяти, является периферийным Для подключения периферийных устройств используются порты ввода/вывода. Конструктивно порты ввода/вывода представляют собой регистры контроллера внешнего устройства, которые непосредственно подключены к шине ввода/вывода компьютера. Для управления обменом данными между аппаратными компонентами компьютера каждому порту ввода/вывода присваивается свой уникальный шестнадцатеричный номер (адрес порта), например 2F8h, 370h. В IBM-совместимых персональных компьютерах можно адресовать 216 портов ввода/вывода (хотя большинство из них, как правило, не используется). Диапазон адресов, отведенный для адресации внешних устройств и памяти образует общее адресное пространство. Стандартно порты устройств ввода/вывода для IBM PC-совместимых компьютеров занимают диапазон адресов от О-3FFH включительно, хотя реально можно использовать адреса вплоть до FFFFh, например, порты процессора волнового синтеза ( WT) звуковой карты имеют адреса в диапазоне 620h-E23h. В адресное пространство входят порты контроллеров клавиатуры, жестких и гибких дисков, видеоадаптеров, звуковых карт, последовательных и параллельных интерфейсов, игровых портов и любого другого периферийного оборудования.

Напомним, что одно периферийное устройство может использовать несколько портов ввода/вывода. Иногда их количество может достигать нескольких десятков. Например, контроллер параллельного интерфейса имеет три регистра: регистр вывода данных, регистр состояния и регистр управления, адресуемые через свои порты ввода/вывода, а контроллер последовательного интерфейса - десять регистров, адресуемых через семь портов ввода вывода.

Естественно, адресация портов осуществляется центральным процессором при выполнении соответствующей программы. Для того чтобы исключить необходимость указания конкретного адреса каждого порта ввода/вывода при программировании, а также для оперативного их изменения в зависимости от конкретной конфигурации компьютера, существует понятие базовый адрес порта ввода/вывода (Base Address Input/Output).

Базовый адрес порта ввода/вывода присваивается каждому периферийному устройству и соответствует младшему адресу из группы портов (обычно адресу порта регистра данных). Адресация остальных портов периферийного устройства осуществляется путем задания смещения (целое число) относительно базового адреса. BIOS резервирует ряд диапазонов адресов портов ввода/вывода стандартных аппаратных компонентов персонального компьютера, которые не могут быть использованы другими периферийными устройствами.

2. Устройства ввода информации: клавиатура, мышь, манипуляторы

Клавиатура

Клавиатура пока является основным устройством ввода информации в компьютер. Это устройство представляет собой совокупность механических датчиков, воспринимающих давление на клавиши и замыкающих определенную электрическую цепь. Наиболее распространены два типа клавиатур: с механическими и с мембранными переключателями. Внутри корпуса любой клавиатуры, помимо датчиков клавиш, расположены электронные схемы дешифрации и микроконтроллер клавиатуры. Подключение клавиатуры к системной плате осуществляется посредством либо 5-контактных разъемов DIN, применяющихся в материнских платах формата AT, либо 6-контактных разъемов miniDIN (их иногда называют разъемами типа PS/2), которые применяются преимущественно в материнских платах формата ATX (форм-фактор плат), более современные клавиатуры подключаются к разъему USB.

В подавляющем большинстве современных ПК используется так называемая улучшенная (Enhanced) клавиатура (это название было введено, чтобы отличить ее от клавиатуры, применявшейся на IBM XT). Она содержит 101 или 104 клавиши.

Принцип действия

Клавиатура является одним из важнейших устройств, определяющим условия комфортабельной работы на компьютере. В нее встроен контроллер. Независимо от того, как механически реализован процесс нажатия клавиш, сигнал при нажатии клавиши регистрируется контроллером клавиатуры (например, 8049) и передается в виде так называемого скэн-кода на материнскую плату. Скэн-код -- это однобайтное число, младшие 7 бит которого представляют идентификационный номер, присвоенный каждой клавише . На материнской плате персонального компьютера для подключения клавиатуры также используется специальный контроллер. Для персональных компьютеров типа AT обычно применяется микросхема типа UPI 8042.

Когда скэн-код поступает в контроллер клавиатуры (8042), то инициализируется аппаратное прерывание (IRQ1), процессор прекращает свою работу и выполняет процедуру, анализирующую скэн-код. Данное прерывание обслуживается специальной программой, входящей в состав ROM BIOS. При поступлении скэн-кода от клавиш сдвига (<Alt>,<Ctrl>) или переключателя (<Shift>, <CapsLock>) изменение статуса записывается в оперативнуюпамять. Во всех остальных случаях скэн-код трансформируется в код символа (так называемые коды ASCII или расширенные коды). При этом обрабатывающая процедура сначала определяет установку клавиш и переключателей, чтобы правильно получить вводимый код ("а" или "А"). Затем введенный код помещается в буфер клавиатуры, представляющий собой область памяти, способную запомнить до 15 вводимых символов, пока прикладная программа не может их обработать. Буфер организован по принципу FIFO (первый вошел -- первый вышел).

Каждая клавиша генерирует два типа скэн-кода "код нажатия", когда клавиша нажимается, и "код освобождения", когда клавиша опускается. Для "кодов нажатия" и "кодов освобождения" используется одна и та же цепочка битов, коды освобождения состоят из двух байтов, первый из которых всегда равен 0F0H.

Контролер на материнской плате может не только принимать, но и передавать данные, чтобы сообщить клавиатуре различные параметры, например частоту повтора нажатой клавиши и др.

Контроллер 8049 отвечает не только да генерирование скэн-кодов, но он необходим для выполнения функций самоконтроля и проверки нажатых клавиш в процессе загрузки системы. Процесс самоконтроля отображается однократным миганием трех индикаторов LED клавиатуры во время выполнения программы POST. Таким образом, неисправность клавиатуры выявляется уже на стадии загрузки персонального компьютера.

Мышь

Большинство фирм, производящих подобные устройства, обеспечивают совместимость по системе команд либо с Microsoft Mouse (две управляющие клавиши), либо с Mouse Systems Mouse (три управляющие клавиши), а чаще всего с ними обеими. Мышь делает очень удобным процесс управления такими широко распространенными в графических пакетах объектами, как окна, меню, кнопки, пиктограммы и т. д.

Подавляющее число компьютерных мышек используют оптико-механический принцип кодирования перемещения. С поверхностью стола соприкасается тяжелый, покрытый резиной шарик сравнительно большого диаметра. Ролики, прижатые к поверхности шарика, установлены на перпендикулярных друг другу осях с двумя датчиками. Датчики, представляющие собой оптопары (светодиод-фотодиод), располагаются по разные стороны дисков с прорезями. Порядок, в котором освещаются фоточувствительные элементы, определяет направление перемещения мыши, а частота приходящих от них импульсов - скорость. Хороший механический контакт с поверхностью обеспечивает специальный коврик.

Более точного позиционирования курсора позволяет добиться оптическая мышь. Для нее используется специальный коврик, на поверхности которого нанесена мельчайшая сетка из перпендикулярных друг другу темных и светлых полос. Расположенные в нижней части мыши две оптопары освещают коврик и по числу пересеченных при движении линий определяют величину и скорость перемещения. Оптические мыши не имеют движущихся частей и лишены такого присущего оптико-механическим мышам недостатка, как перемещение курсора мыши рывками из-за загрязнения шарика. Разрешающая способность применяемого в мыши устройства считывания координат составляет 400 dpi (Dot per Inch) точек на дюйм и выше, превосходя аналогичные значения для механических устройств.

При помощи мыши удобно выделять объекты, перемещать их, рисовать. Устройством ввода мыши являются клавиши, их обычно две или три. Электронная схема управления мыши следит за ее перемещением, эти данные поступают в компьютер, обрабатываются процессором, который производит перемещение указателя мыши на экране дисплея. При перемещении мыши по коврику тяжелый, покрытый резиной шарик приводится в движение и вращает соприкасающиеся с ним валики вертикального и горизонтального перемещения. На этих валиках закреплены диски с прорезями. С разных сторон от диска установлены излучатель света (светодиод) и приемник света (фототранзистор). При движении мыши приемник принимает световые импульсы и преобразует их в электрические сигналы. По количеству импульсов определяются координаты мыши при ее движении по вертикали и горизонтали.

Существуют беспроводные мышки, которые осуществляют передачу данных в радио или инфракрасном диапазоне с расстояния 2 - 3 метра

Трекбол

Трекбол (Trackball) представляет собой «перевернутую» мышь, так как у него приводится в движение не корпус устройства, а только его шар увеличенного по сравнению с мышью размера, что позволяет существенно повысить точность управления курсором. Первое устройство подобного типа было разработано компанией Logitech. Миниатюрные трекболы получили сначала широкое распространение в портативных ПК. Встроенные трекболы могут располагаться в самых различных местах корпуса ноутбука, внешние крепятся специальным зажимом, а к интерфейсу подключаются кабелем. Большого распространения в ноутбуках трекболы не получили из-за своего недостатка - постепенного загрязнения поверхности шара и направляющих роликов, которые бывает трудно очистить и, следовательно, вернуть трекболу былую точность. Впоследствии их заменили тачпады и трекпойнты.

Трекпойнт

Трекпойнт (TrackPoint) - координатное устройство, впервые появившееся в ноутбуках IBM, представляет собой миниатюрный джойстик с шершавой вершиной диаметром 5-8 мм. Трекпойнт - рычажок, расположенный на клавиатуре между клавишами, управляется нажатием пальца.

Тачпад

Тачпад (touchpad) - сенсорная панель, с помощью которой курсор на экране двигается согласно перемещению пальца по этой панели. Некоторые так привыкают к тачпаду, что даже дома используют его вместо мыши.

3.Накопитель на жестких магнитных дисках

Накопитель на жестких магнитных дисках хранит всю необходимую для работы компьютера и прикладных программ информацию, с него загружается в оперативную память компьютера его операционная система.

В основе функционирования винчестера лежит принцип магнитной записи (считывания) сигналов на вращающийся диск, покрытый магниточувствительным рабочим слоем. Каждая сторона диска, покрытая рабочим слоем, называется рабочей поверхностью.

При записи цифровые данные преобразуются в аналоговые электрические сигналы, создающие с помощью головки записи участки с различной намагниченностью, расположенные вдоль окружности по всей рабочей поверхности вращающегося диска (так называемые треки или дорожки). Размеры участков и расстояние между соседними дорожками определяют поверхностную плотность записи данных.

При чтении участки диска движутся под магнитной головкой и индуцируют в ней электрические сигналы, которые преобразуются в цифровые данные.

Типичный современный накопитель на жестких дисках состоит из блока (пакета) дисков, шпиндельного двигателя привода вращения дисков, блока головок записи/чтения, предусилителя-коммутатора головок и контроллера (печатной платы с электронными схемами управления).

В нерабочем состоянии головка прижимается поводком к поверхности диска в специальной нерабочей зоне, называемой зоной парковки. Первые модели винчестеров требовали выполнения специальной операции парковки головок, инициируемой программным обеспечением.

В современных винчестерах операция вывода головок в зону парковки выполняется автоматически при снижении скорости вращения двигателя ниже номинальной или при пропадании напряжения питания, а вывод головок в рабочую зону разрешается только после достижения номинальной скорости вращения дисков. Зазор между головкой и поверхностью диска в современных винчестерах составляет несколько сотых долей микрометра.

В большой степени максимальная плотность записи зависит от конструкции и характеристик головок записи/чтения. Раньше в винчестерах использовались магнитные головки, представляющие собой миниатюрные катушки индуктивности, намотанные на магнитный сердечник.

Позднее стали использовать тонкопленочные магнитные головки, а в современных винчестерах используются высокочувствительные магниторезистивные головки чтения (принцип их работы основан на эффекте анизотропии некоторых полупроводниковых материалов в магнитном поле), конструктивно объединенные с тонкопленочными головками записи. Головки собираются в блок.

В современных винчестерах используется система позиционирования блока головок с поворотной подвижной катушкой, помещенной в зазоре мощного постоянного магнита, которая и является исполнительным элементом системы позиционирования.

В основе этой системы лежит предварительная (произведенная при изготовлении винчестера) запись специальных цифровых последовательностей, которые называются сервометками, в специально отведенные для этого на каждой дорожке сектора. Во время работы контроллер винчестера ориентируется на эти сервометки, вырабатывая управляющие сигналы, подаваемые в подвижную катушку, и поворачивает головку таким образом, чтобы она установилась точно над дорожкой, а затем удерживает ее на этой дорожке до поступления команды о переводе головки в новое положение.

Не менее 16% суммарной рабочей поверхности дисков отводится под служебную информацию, которая обеспечивает нормальную работу винчестера. В первую очередь это инженерная зона (секторы конфигурации, таблицы дефектов, рабочие программы винчестера).

Оставшееся дисковое пространство делится на зоны (для большинства винчестеров - от 8 до 20) с различным числом секторов в каждой зоне. Не все секторы используются в качестве рабочих. Часть секторов являются запасными. При первоначальной разметке дисков на заводе-изготовителе производится проверка поверхности диска и информация об обнаруженных дефектных участках записывается в таблицу дефектов, которая размещается в инженерной зоне.

В процессе функционирования винчестера эта таблица используется для переназначения (переадресации) обращения к дефектным участкам (секторам) на обращение к хорошим секторам, которые как раз и размещаются на запасных дорожках. Ввиду важности служебной информации инженерная зона различных моделей накопителей может содержать от 2 до 6 копий, а сервометки прописываются с запасом по количеству и более сильным магнитным полем.

В процессе эксплуатации происходит постепенное разрушение магнитной поверхности диска, начинают появляться новые сбойные секторы, что приводит к так называемому вырождению магнитной среды. О неполадках такого рода свидетельствуют периодически возникающие ошибки чтения/записи.

Износ или повреждение подшипников шпиндельного двигателя приводит к тому, что пластины начинают слегка покачиваться. Это вызывает попеременное увеличение/уменьшение расстояния между головками и поверхностями дисков, что является причиной роста числа «мягких» ошибок и увеличения вероятности падения головок на поверхности дисков.

Если двигатель винчестера начал шуметь или прослушиваются периодические удары механизма позиционирования головок об ограничители значит, довольно скоро можно ожидать лавинообразных отказов в работе винчестера.

Нередко причиной выхода винчестеров из строя является нарушение их температурного режима работы. Скорость вращения пакетов дисков достигает 15 000 об/мин, а для улучшения динамических характеристик применяются достаточно мощные шпиндельные двигатели и приводы позиционирования, которые выделяют значительное количество тепла. Кроме того, тепло выделяет опорный подшипник.

Головки «летят» над диском на высоте всего лишь 0,1...0,12 мкм. Любой удар может сократить это расстояние до нуля? Дорожка движется под магнитной головкой со скоростью 90...125 км/час, 1 мм дорожки - это около 2 Кб данных.

Даже если повреждение невелико, выбитые при ударе частицы магнитной среды еще долго будут летать внутри корпуса диска, создавая опасность новой аварии, причем большая часть мелких частиц вообще не улетает с диска, оставаясь «примагниченной» к его поверхности и приводя к дальнейшему разрушению рабочей поверхности.

Кроме того, при соприкосновении головки с поверхностью диска происходит мгновенный перегрев головки. Совместно с радиальным механическим воздействием на головку это, как правило, приводит к обрыву головки.

В большинстве современных винчестеров реализована технология самотестирования SMART (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology). Ее суть заключается в том, что винчестер самостоятельно диагностирует свое состояние, заранее предупреждая о предаварийном состоянии. Большинство SMART HDD контролируют от 3 до 30 атрибутов надежности, например, количество позиционирований головок, высоту их полета над поверхностью диска, число переназначений сбойных секторов, число ошибок позиционирования и т.п.

4. Видеоподсистема компьютера. Видеокарта. Видеопамять компьютера.

Видеокарта

Для обработки видео информации и управлением вывода на экран монитора служит видеоадаптер или видеокарта. На современные видеокарты устанавливается видеопроцессор. Видеопроцессор представляет собой сложную схему управления, сравнимую по сложности с центральным процессором. Видеопроцессор, работающий с видеопамятью, обладает высокой производительностью. Пересылка данных между видеопроцессором и видеопамятью производится по внутренней шине, это быстрые передачи. Пересылка из основной памяти в видеопамять обычно происходит значительно медленнее, поскольку блок данных из основной памяти должен пройти по системной шине данных (которая уступает шине видеоданных по разрядности), затем через интерфейс видеошины, попасть на внутреннюю шину видеоадаптера и лишь затем - в видеопамять. При пересылке данных между двумя шинами необходимо синхронизировать работу главного процессора с видеопроцессором. На рис. 1 изображена упрощенная модель работы основных компонентов видеосистемы компьютера.

Рис. 1. Примерная архитектура видеосистемы

Видеопроцессор производит обработку графических функций, требующих интенсивных вычислений, в результате, разгружается центральный процессор вычислительной системы. Отсюда следует, что видеопроцессор должен оперировать своей собственной памятью. Тип памяти, в которой хранятся графические данные называется буфер кадра (frame buffer). В системах, ориентированнных на обработку 3D приложениий, требуется еще и наличие специальной памяти, называемо z-буфер (z-buffer), в котором хранится информация о глубине изображаемой сцены. В некоторых системах может иметься собственная память текстур (texture memory), т.е. память для хранения элементов, из которых формируются поверхности объекта. Наличие текстурных карт ключевым образом влияет на реалистичность изображения трехмерных сцен.

Видеопамять компьютера

Для обеспечения скоростного обмена данными с видеосистемой компьютера используется специальная двухвходовая память VRAM. В такой памяти чтение данных из памяти для воспроизведения их на экране видеомонитора и обновление данных процессором может осуществляться одновременно. Альтернативой VRAM считается память WRAM, также двух портовая. От традиционной, типа VRAM, она отличается большей на 50% скоростью доступа и наличием встроенной поддержки ряда массовых операций. В частности, она ускоряет пересылки выровненных данных, что особенно удобно при копировании экранного буфера как целого и операциях заливки прямоугольных областей. Более плотная упаковка транзисторов на кристалле обусловила снижение себестоимости этой памяти по сравнению с VRAM приблизительно на 20%.

Еще один способ увеличения скорости обмена данными с памятью - увеличение ширины шины доступа к памяти. Видеоадаптеры с 32-разрядной шиной данных применяются сейчас только в системах начального уровня. Стандартом на сегодняшний день стали 64-разрядные видеоадаптеры и 128 - разрядные. Для того чтобы использовать все линии шины данных, надо либо сформировать многобанковую память большого объема на микросхемах DRAM или EDO DRAM, либо воспользоваться памятью multibank DRAM (MDRAM). Архитектура MDRAM обеспечивает ширину шины 128 разрядов при общем объеме памяти всего 2 Мбайт. Применение многобанковой памяти в графических картах имеет смысл еще и потому, что ее можно наращивать относительно небольшими квантами. Это единственная архитектура, позволяющая имея на плате всего 2 Мбайта памяти, обеспечить поддержку режима TrueColor при разрешении 1024x768. Графическая плата на основе традиционных микросхем DRAM или VRAM для работы в этом режиме должна содержать 4 Мбайта памяти. У некоторых видеоадаптеров, предназначенных для САПР, ширина шины данных 192 разряда. В них вместо одного видеопроцессора используется сразу три, по числу базовых цветов. Такие платы плохо приспособлены для данных мультимедиа, поскольку преобразование цветовых координат занимает в них слишком много времени. Альтернативой MDRAM служит технология Rambus, которая также позволяет повысить скорость обмена с памятью при увеличении ширины шины. Для персональных компьютеров из-за наличия КЭШ- памяти эффект от применения EDO DRAM в качестве основной памяти, как правило, не превышает нескольких процентов, для графических плат он весьма значителен. Еще большее ускорение дает память SGRAM (вариант SDRAM, адаптированный для применения в видео картах).

Несмотря на то что стоимость микросхем памяти постоянно снижается, вклад памяти видеоадаптера в общую стоимость системы продолжает оставаться заметным. В то же время во многих типичных офисных приложениях, работающих в текстовом режиме, она используется всего на 10 20%., так нельзя ли в качестве графической памяти применять основную память компьютера, тем более что с появлением EDO DRAM, BEDO DRAM или SDRAM процесс чтения из нее значительно ускорился? Оказывается можно. Это решение называется Unifited Memory Architecture (UMA). В архитектуре UMA часть основной памяти компьютера резервируется для графики, а отдельный кадровый буфер отсутствует вовсе. Такое решение позволяет разработчикам интегрированных материнских плат существенно сэкономить на графической подсистеме.

Для приложений, где генерацию всего изображения на экране полностью выполняет ЦП, такая организация видеоподсистемы имеет существенные преимущества.

5. Видео монитор

Видео монитор - это устройство, предназначенное для преобразования электрических сигналов, поступающих от видеоадаптера, в изображение на экране. Мониторы классифицируются:

-по совместимости с видео адаптерами определённых типов (CGA, EGA, VGA);

-по типу входного интерфейса (цифровой или аналоговый);

-по типу экрана (ЭЛТ, жидкокристаллический экран, экран электролюминесцентный,

плазменный) и т.д.

-Электронно-лучевая трубка

Изображение на лицевой панели электронно-лучевой трубки создают светящиеся точки люминофора (pixel - picture element). Среднее расстояние между точками называют “зерном”. Зерно может иметь размеры от 0,25 до 0,41 мм . Распространены типовые размеры экранов: 14,15,17,19,20,21, 28 и 33 дюйма по диагонали. 14 - дюймовый экран имеет 265 мм в ширину. При разрешении 800x600 отображается 800 точек в строке. Расстояние между точками определится как 265/800 = 0,32 мм. В цветных мониторах каждый пиксель образован триадой люминофоров, излучающих в красном, зеленом и синем цвете. Люминофор каждого цвета освещается лучом своей электронной пушки. Луч движется по строкам, интенсивность луча изменяется модулятором, это приводит к изменению яркости светового пятна на экране. Движение луча происходит по определенному пути- растру. Такие дисплеи называют растровыми. Разрешающая способность монитора зависит от числа элементов изображения 640x480, 800х600 или 1024x768 пикселей.

Сегодня большинство мониторов выпускаются на ЭЛТ с теневой маской (они еще называются трубками с плоским экраном) или с апертурной решеткой это мониторы Trinitron фирмы Sony. Остальные производители, закупившие лицензию на эту технологию, выпускают продукцию под собственными торговыми марками.

Экран трубки с теневой маской покрыт точками люминофора, на которые электронный луч попадает через маску с небольшими круглыми отверстиями. Приводимый в описании монитора параметр "шаг точки" обозначает расстояние между точками люминофора одного цвета (красного, зеленого или синего). Чем меньше это расстояние, тем ближе точки друг к другу и тем резче изображение.

Рис. 2. Лучи фокусируются в отверстиях теневой маски

В трубках с апертурной решеткой люминофор нанесен в виде вертикальных полосок, разделенных тонкими металлическими проволочками. Электронный луч, попадая на полоски, вызывает их свечение. Для этой конструкции трубок под шагом подразумевается расстояние между полосками одного цвета. Чем меньше это расстояние, тем лучше.

Hельзя сравнивать размер шага для трубок разных типов: шаг точек ("триад") трубки с теневой маской измеряется по диагонали, в то время как шаг апертурной решетки, иначе называемый горизонтальным шагом точек, - измеряется по горизонтали. Поэтому при одинаковом шаге точек трубка с теневой маской имеет большую плотность точек, чем трубка с апертурной решеткой. Оба типа трубок имеют свои преимущества и своих сторонников. Трубки с теневой маской дают более точное и детализированное изображение, поскольку свет проходит через отверстия в маске с четкими краями. Поэтому мониторы с такими ЭЛТ хорошо использовать при интенсивной и длительной работе с текстами и мелкими элементами графики, например, в CAD/CAM-приложениях. Трубки типа Trinitron имеют более ажурную маску, она меньше заслоняет экран и позволяет получить более яркое, контрастное изображение в насыщенных цветах. Мониторы с такими трубками хорошо подходят для настольных издательских систем и других приложений, ориентированных на работу с цветными изображениями. Посмотрев на включенный экран, особенно на белый фон, можно заметить тонкие нити, идущие поперек решетки, они стабилизируют ее положение. Из-за более сложной конструкции дисплеи с такими трубками обычно немного дороже аналогичных моделей с теневой маской.

Конечно оптимальная разрешающая способность зависит от размеров экрана: например, разрешение 1024x768, установленное на 15-дюймовом мониторе, может повысить напряжение глаз, в то время как на 17-дюймовом дисплее оно будет вполне уместно. Измеряемая в герцах частота смены кадров (или частота регенерации изображения) показывает, как быстро могут быть перерисованы все пикселы экрана. Более высокая частота смены кадров делает изображение устойчивее, а пониженная частота может привести к нежелательному мерцанию - едва заметному, но вызывающему излишнее напряжение глаз. Максимальная частота регенерации изображения зависит от установленной разрешающей способности, а при заданном разрешении - определяет качество изображения.

Ассоциация стандартов видеоэлектроники (Video Electronics Standards Association, VESA) установила частоту смены кадров 85 Гц в качестве стандарта для свободных от нежелательного мерцания мониторов.

Разрешающая способность и частота регенерации - основные параметры для согласования монитора и видеоплаты компьютерной системы. Важным параметром монитора является ширина полосы частот. Это важный показатель для определения лучшей разрешающей способности устройства. Полоса частот дисплея характеризует его возможности в отношении поступающего с графической карты видеосигнала. Чем выше разрешающая способность и частота смены кадров, тем шире требуемая полоса пропускания.

Практически все мониторы оснащены легкодоступными органами управления на передней панели. Это могут быть кнопки или вращающиеся ручки. Стало стандартом цифровое управление монитором. Благодаря цифровым системам увеличивается точность настройки, которая, как правило, и сохраняется на более длительный период. У современных дисплеев расширен перечень регулировок. Экранный интерфейс управления устройством в целом облегчает настройку и обеспечивает немедленную обратную связь с монитором, повышая вероятность более точной его настройки.

Основные функции управления включают в себя: установку горизонтального и вертикального размера изображения, а также его сдвиг по вертикали и горизонтали, размагничивание, регулировку яркости и контраста. Большинство мониторов имеют дополнительные функции управления геометрией изображения: устранение подушкообразных и трапецеидальных искажений, сжатие/растяжение прямоугольника экрана и поворот изображения. В некоторых устройствах возможно также устранение муара (комбинационных искажений), регулировка сведения луча, цветовой температуры и уровней усиления красного, зеленого и синего компонентов сигнала.

Для мониторов с трубкой типа Trinitron:

MPH = горизонтальный размер/горизонтальный шаг полосок;

MPV = вертикальный размер/вертикальный шаг полосок.

Для 17-дюймового монитора с трубкой типа Trinitron, шагом полосок 0,25 мм по горизонтали и 0,40 мм по вертикали и размером используемой области экрана 320x240 мм получим максимальную реальную разрешающую способность 1280x600 точек: 320/0,25 = 1280 MPH ; 240/0,40= 600 MPV.

Движением луча по диагонали управляет строчная развертка, по вертикали - кадровая развертка.

Рис.3. Кадровая и строчная развертка

Сигналы обратного хода возвращают луч в начало строки или кадра. На рисунке 3 приведены диаграммы пилообразного напряжения строчной и кадровой развертки.

Видеосигнал поступает в монитор с платы адаптера. Вместе с видеосигналом поступают сигналы вертикальной и горизонтальной синхронизации.

Частота кадровой развертки определяет частоту (обновления) регенерации экрана. Чем выше частота регенерации, тем меньше заметно мерцание экрана. Чем меньше размер зерна люминофора, и чем больше строк прочерчивает луч за время кадровой развертки, тем более четким будет изображение. Стандартами кадровой частоты являются частоты 56, 60, 72, 75, 85 Гц. Верхняя граница кадровой частоты ограничена, т.к. считается, что мерцание на частотах свыше 110 Гц глаз человека уже не различает. Частота строк определяется в Кгц, как произведение частоты кадров на количество строк в кадре, например, 800(строк) х 85 =68КГц.

Полоса пропускания видеосигнала определяет насколько высокие частоты может содержать видеосигнал. Определить полосу пропускания можно как произведение количества точек в строке на частоту строчной развертки, так как за период горизонтальной развертки луч должен изменить значение интенсивности на каждом пикселе.

Чтобы улучшить качество изображения может применяться чересстрочная развертка. При строчной развертке за период кадровой развертки выводятся все строки кадра. При чересстрочной развертке вывод кадра осуществляется за два периода кадровой развертки (через строку) - это позволяет увеличить разрешение экрана, но приводит к появлению мерцания экрана.

Все современные мониторы можно разделить на 3 группы:

-Мониторы с фиксированной частотой;

-Мониторы с несколькими фиксированными частотами;

-Мультичастотные или мультисканирующие мониторы.

Мониторы с фиксированной кадровой частотой менее критичны к значениям частот синхроимпульсов, т.к. используется лишь одна частота синхронизации импульсов.

Мониторы с несколькими фиксированными частотами допускают использование набора частот кадровых и строчных синхроимпульсов.

Мультичастотные мониторы настраиваются на произвольную частоту синхросигнала в заданном диапазоне 30-64 кГц - строчной и 50-100 Гц кадровой развертки.

6. Современные ЖК мониторы

Современные ЖК мониторы также называют плоскими панелями, активными матрицами двойного сканирования, матрицами с тонкопленочными транзисторами. Сейчас они становятся популярными привлекает их изящный вид, компактность, экономичность (15-30 ватт). Ранее инертные, теперь они обеспечивают качественное контрастное, яркое, отчетливое изображение. Первые матричные технологии, так называемые пассивные матрицы неплохо работали с текстовой информацией, но при резкой смене картинки на экране оставались так называемые "призраки". Поэтому такого рода устройства не подходили для просмотра видеофильмов и для игр. Так как жидкокристаллическая технология адресует каждый пиксель отдельно, четкость получаемого текста выше в сравнении с монитором на ЭЛТ.

Существует два вида ЖК мониторов: DSTN (dual-scan twisted nematic - кристаллические экраны с двойным сканированием) и TFT (thin film transistor на тонкопленочных транзисторах), также их называют соответственно пассивными и активными матрицами. Такие мониторы состоят из следующих слоев: поляризующего фильтра, стеклянного слоя, электрода, слоя управления, жидких кристаллов, ещё одного слоя управления, электрода, слоя стекла и поляризующего фильтра.

Рис. 4. Устройство TFT монитора (thin film transistor - на тонкопленочных транзисторах)

В первых компьютерах использовались восьмидюймовые (по диагонали) пассивные черно-белые матрицы. С переходом на технологию активных матриц, размер экрана вырос. Практически все современные ЖК мониторы используют панели на тонкопленочных транзисторах, обеспечивающих яркое, четкое изображение.

Как работает ЖК монитор

Рис.5. Сетка пикселей экрана жидкокристаллического монитора

Поперечное сечение панели на тонкопленочных транзисторах представляет собой многослойный бутерброд (рис. 4). Крайний слой любой из сторон выполнен из стекла. Между этими слоями расположен тонкопленочный транзистор, панель цветного фильтра, обеспечивающая нужный цвет - красный, синий или зеленый, и слой жидких кристаллов. Вдобавок ко всему существует флуоресцентная подсветка, освещающая экран изнутри.

При нормальных условиях, когда нет электрического заряда, жидкие кристаллы находятся в аморфном состоянии. В этом состоянии жидкие кристаллы пропускают свет. Количеством света, проходящего через жидкие кристаллы, можно управлять с помощью электрических зарядов - при этом изменяется ориентация кристаллов.

Как и в традиционных электроннолучевых трубках, пиксель формируется из трех участков - красного, зеленого и синего. А различные цвета получаются в результате изменения величины соответствующего электрического заряда (что приводит к повороту плоскости поляризации жидкого кристалла и изменению яркости проходящего светового потока).

TFT экран состоит из целой сетки таких пикселей, где работой каждого цветового участка каждого пикселя управляет отдельный транзистор (рис.5). Для нормального обеспечения экранного разрешения 1024х768 (в режиме SVGA) жидкокристаллическая панель должна располагать именно таким количеством пикселей.

Преимущества ЖК мониторов

ЖК мониторы более экономичные;

У них нет электромагнитного излучения в сравнении c ЭЛТ-мониторами;

Они не мерцают, как ЭЛТ-мониторы;

Они легкие и не такие объемные;

У них большая видимая область экрана.

Сведение лучей: в жидкокристаллических мониторах каждый пиксель включается или выключается отдельно, поэтому не возникает никаких проблем со сведением лучей, в отличие от ЭЛТ-мониторов, где требуется безукоризненная работа электронных пушек.

Сигналы: ЭЛТ-мониторы работают на аналоговых сигналах, а ЖК мониторы используют цифровые сигналы.

Отсутствие мерцания: качество изображения на ЖК мониторах выше, а при работе нагрузка на глаза меньше - сказывается ровная плоскость экрана и отсутствие мерцания.

«Мертвые пиксели» - на плоской панели может не работать несколько пикселей. Распознать их не трудно - они всегда одного цвета. Они возникают в процессе производства и восстановлению не подлежат. Приемлемым считается, когда в мониторе не более трех таких пикселей. В некоторых случаях, такие пиксели могут раздражать - особенно при просмотре фильмов.

Контрастность - сами по себе пиксели не вырабатывают свет, они лишь пропускают свет от подсветки. И темный экран вовсе не означает, что подсветка не работает - просто свет не проникает через экран. Под контрастностью LCD монитора подразумевается, сколько уровней яркости могут создавать его пикселы. Обычно, контрастность 250:1 считается хорошей.

Яркость жидкокристаллического дисплея может быть выше яркости электронно-лучевой трубки. Но, как правило, яркость ЖК монитора не превышает 225 кандел на квадратный метр - это сопоставимо с яркостью телевизора.

Размер экрана - как и у ЭЛТ-мониторов, размер ЖК мониторов определяются диагональю. Однако заметим, что у ЖК мониторов нет черной рамочки, какая имеется у ЭЛТ-мониторов. Поэтому экран в 15,1 дюйма на самом деле показывает 15,1 дюйма (обычно это соответствует разрешению 1024х768). ЖК монитор размером 17,1 дюйма будет работать в разрешении 1280х1024.

Плазменные дисплеи

Плазменную технологию ожидает большое будущее. Технология PALC (plasma addressed liquid crystal) позволяет объединить преимущества плазменных и ЖК-дисплеев с активной матрицей. Данный подход реализован при производстве больших мониторов.

7. Сканер

Сканером (от английского scanner) называется устройство, позволяющее вводить в ЭВМ изображения. Ввод изображений может потребоваться при копировании, размножении документов, для их редактирования с последующим размножением, а также в системах хранения и поиска изображений. При комплектации сканером и высококачественным печатающим устройством персональный компьютер превращается в автоматизированное рабочее место (АРМ) для подготовки и издания различных информационных материалов.

Принцип работы

Сканер функционально состоит из двух частей: сканирующего механизма (engine) и программной части (TWAIN-модуль). Оригинал располагается на прозрачном неподвижном стекле, вдоль которого передвигается сканирующая каретка с источником света.

Оптическая система сканера состоит из объектива и зеркал или призмы, которая проецирует световой поток от сканируемого оригинала на приёмные элементы. Здесь осуществляется разделение информации о цветах. Для различения цветов используется три параллельных линейки (линейка приемников на каждый цвет). На каждой линейке расположено равное количество светочувствительных элементов, принимающих информацию об интенсивности "своих" цветов. Приёмный элемент преобразует уровень освещенности в уровень напряжения (все ещё аналоговую информацию). Далее аналоговый сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). С АЦП информация выходит уже в двоичном виде и, после обработки в контроллере сканера, обрабатывается программой драйвером сканера (TWAIN-модуль). С драйвером взаимодействуют прикладные программы, в которых осуществляется обработка введенной графической информации. Аналогично копировальному устройству сканер освещает оригинал белым светом с протяженного осветителя, а светочувствительные многоэлементные фотоприемные линейки (датчик сканера) с определенной частотой производит замеры интенсивности отраженного оригиналом света. Число фотоприемников в линейке может составлять 2000 и больше. Оптическая разрешающая способность сканера определяется расстоянием между фотоприемниками в линейке (чем их больше, тем разрешение лучше). Обычно оно не превышает 300 - 1200 точек на дюйм. Более высокие значения достигаются благодаря интерполяции, сглаживающей неровности контуров, именно эти значения указывают производители в документации (1600, 2400).

В процессе сканирования напряжение, создаваемое фоточувствительным элементом, преобразуется в двоичный код. Если сканер при каждом замере регистрирует всего один бит информации, то он распознает только два цвета - черный и белый. В зависимости от количества битов соответствующих одному замеру, сканер может распознавать большее или меньшее количество оттенков от черного до белого. так, при 4-битовом кодировании имеется возможность распознавания 16 различных оттенков. Восьмибитовое кодирование обеспечивает возможность распознавания 256 градаций серого цвета.

Для кодирования цветопередачи можно также использовать 8 бит, но при этом сканированные изображения фотографий получается низкого качества. Увеличение количества распознаваемых цветов приводит к значительным затратам дисковой памяти. Для хранения изображения с разрешением 300 dpi формата А4 требуется памяти 16 МВ при качестве High Color (16 битное кодирование), при качестве True Color ( 24- битное кодирование) - 24 МВ . Для экономии дискового пространства обычно применяют методы сжатия данных.

При сканировании цветных изображений обычно используется цветовая модель RGB (красный, зеленый, синий). Сигнал, соответствующий каждому основному цвету, обрабатывается отдельно.

Для получения лучшего качества копии введенного изображения следует выбрать сканер и программное обеспечение, обеспечивающие работу в режиме воспроизведения шкалы яркости изображения.

Воспроизведение 256 оттенков цвета (8 бит на каждый цвет) оказывается максимально достаточным, так как человеческий глаз не в состоянии различить более "тонкую" градацию. В случае обеспечения такого уровня переходы между участками изображения с различной яркостью становятся плавными и выглядят вполне естественно.

Существуют специализированные сканеры. Например Cлайд-сканеры - устройства, которые предназначены для работы с позитивной и негативной пленкой. Обычные сканеры тоже позволяют выполнять слайд-сканирование, только для этого они имеют встроенный или поставляемый дополнительно модуль для сканирования слайдов, который обеспечивает заднюю подсветку и другие функции, необходимые для сканирования прозрачных пленок.

При сравнении разных моделей сканеров необходимо обращать внимание на оптическую разрешающую способность (а не интерполяционное разрешение). Оптическое разрешение должно быть не меньше, чем у принтера.

Основные параметры и характеристики сканеров.

-Разрешение.

Разрешение характеризует величину самых мелких деталей изображения, передаваемых при сканировании без искажений. Измеряется обычно в dpi - числе отдельно видимых точек на дюйм изображения (dot per inch). Существует несколько видов разрешения, указываемого производителем сканеров.

Оптическое разрешение определяется плотностью элементов в ПЗС линейке и равно количеству элементов ПЗС-линейки, деленному на ее ширину. Оно является самым важным парамером сканера, определяющим детальность получаемых с его помощью изображений. В силу этого не всегда приводится в рекламной информации производителем или продавцом сканера, стремящимся завысить его реальные характеристики. В массовых моделях сканеров обычно оно бывает равно 100 или 200 для ручных и рулонных сканеров и 300, 600 или 1200 dpi для планшетных сканеров. Сканирование всегда следует выполнять с разрешением, кратным оптическому, при этом интерполяционные искажения будут минимальны. Если же, например, на сканере с 300 dpi надо отсканировать изображение с 200 dpi, то оптимальнее будет выполнить сканирование с 300 dpi, а затем программным путем в пакете обработки (Adobe Photoshop, Paint Shop Pro, Ulead Photo Impact, Thumbs Plus и т. п.) понизить разрешение до 200 dpi.

Механическое разрешение определяет точность позиционирования каретки с ПЗС-линейкой при перемещении вдоль изображения. Механическое разрешение обычно в 2 раза больше оптического, что дает повод изготовителю сканера вводить в заблуждение покупателя тем, что сканер имеет "оптическое разрешение 300х600 dpi", хотя без интерполяции на таком сканере можно сканировать только с разрешением 300 dpi.

Интерполяционным называется разрешение, полученное путем 16-кратного программного увеличения изображения. Оно не несет в себе абсолютно никакой дополнительной информации об изображении по сравнению с реальным разрешением, причем в специализированных пакетах операция масштабирования и интерполяции выполняется зачастую качественнее, чем драйвером сканера.

Глубина цвета, или разрядность.

Глубина цвета, или разрядность, характеризует количество бит, применяемых для хранения информации о цвете каждого пиксела. Для черно-белого сканирования достаточно одного разряда, для сканирования оттенков серого достаточно 8 разрядов, для сканирования цветных изображений - 24 разряда (по 8 бит на хранение каждой из RGB-компонент цвета пиксела). Профессиональные и полупрофессиональные сканеры имеют и внешнюю разрядность 30 или 36 бит, а некоторые модели и до 48 бит. дополнительные биты используются для цветовой коррекции полученных изображений.

Диапазон оптических плотностей.

Диапазон оптических плотностей - это динамический диапазон сканера, который во многом определяется его разрядностью. Он характеризует возможность сканера правильно передавать изображения с большим или с очень маленьким разбросом яркости (возможность отсканировать "фото черной кошки в темной комнате"). Вычисляется как десятичный логарифм от отношения интенсивности падающего на оригинал света к интенсивности отраженного света, и обозначается как D. Значение 0,0 D соответствует идеально белому цвету, значение 4,0 D - идеально черному. У реального сканера этот диапазон зависит от разрядности. У 36-битного сканера динамический диапазон не превышает 3,6 D, у 30-битного - 3,0 D. Сканируемые изображения обычно обладают диапазоном до 2,5 D для фотографий и 3,5 D для слайдов.

Размер области сканирования

Для бытовах планшетных сканеров наиболее распространены форматы A4 и (существенно реже) A3

Количество проходов сканирования

Цветное сканирование за один проход стало нормой. В старых, трехпроходных моделях одна линейка фотодатчиков трижды проходит вдоль оригинала, по проходу на выборку красного, зеленого и голубого цвета. Данные собираются вместе после завершения последнего прохода. В однопроходном сканере ПЗС считывает все три цвета за один проход.

Однопроходное сканирование не гарантирует улучшения резкости изображения или скорости сканирования, хотя в среднем однопроходные сканеры работают быстрее. Изготовители часто заявляют, что конструкция однопроходных сканеров обеспечивает лучшую регистрацию, имея в виду, что одновременное считывание всех трех цветов для каждого пиксела избавляет от проблем с совмещением. Однако, в действительности, существуют трехпроходные сканеры, которые обеспечивают лучшую регистрацию, чем некоторые однопроходные модели, поскольку, трехпроходные модели могут компенсировать различные уровни преломления красного, зеленого и голубого цветов (в результате этого эффекта возникает радуга).

Список литературы

1. Гук. М.Ю. Аппаратные средства IBM PC: Энциклопедия, 3-е изд.-СПб: Питер, 2006 - 1072с.

2. Цилькер Б.Я., Орлов С.А. Организация ЭВМ и систем: Учебник для вузов.- СПб.: Питер 2006. - 672с.

3. Мелехин В.Ф. Павловский Е.Г. Вычислительные машины, системы и сети: Учебник.- М.: Издательский центр "Академия", 2006. - 560с

4.Леонтьев В.П. Новейшая энциклопедия персонального компьютера:Энциклопедия. - М.: ОЛМА-ПРЕСС, 2006. - 869с

5.Таненбаум Э.С. Архитектура компьютера. Классика computer science. 4-е изд.- СПб.: Питер, 2006. - 704с.