2. Технические средства реализации информационных процессов Представление информации в технических устройствах

• Название: 2. Технические средства реализации информационных процессов Представление информации в технических устройствах
• Дата: 06.06.2019
• Размер: 390.5 Kb.
• Имя файла: _2.doc
• Тип: Документы; #80649
• страница: 6 из 6

2.7.2.Оперативное запоминающее устройство

Другим важным функциональным узлом компьютера является запоминающее устройство или память. Память, в которой хранятся исполняемые программы и данные называется оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) или RAM (Random Access Memory) – памятью со свободным доступом. ОЗУ позволяет записывать и считывать информацию из ячейки, обращаясь к ней по её номеру или адресу. Ячейка памяти имеет стандартное число двоичных разрядов. В настоящее время стандартный размер ячейки ОЗУ равняются одному байту. Информация в ОЗУ сохраняется всё время, пока на схемы памяти подаётся питание, то есть она является энергозависимой.

Существует два вида ОЗУ, отличающиеся техническими характеристиками: динамическое ОЗУ илиDRAM(Dynamic RAM) и статическое ОЗУ или SRAM(Static RAM). Разряд динамического ОЗУ построен на одном транзисторе и конденсаторе, наличие или отсутствие заряда на котором определяет значение, записанное в данном бите. При записи или чтении информации из такой ячейки требуется время для накопления (стекания) заряда на конденсаторе. Поэтому быстродействие динамического ОЗУ на порядок ниже, чем у статического ОЗУ, разряд которого представляет собой триггер на четырёх или шести транзисторах. Однако из-за большего числа элементов на один разряд в одну СБИС статического ОЗУ помещается гораздо меньше элементов, чем у динамического ОЗУ. Например, современные СБИС динамических ОЗУ способны хранить 256 – 1024 Мбайт информации, а схемы статических ОЗУ только 256 – 512 Кбайт. Кроме этого статические ОЗУ более энергоёмки и значительно дороже. Обычно, в качестве оперативной или видео памяти используется динамическое ОЗУ. Статическое ОЗУ используется в качестве небольшой буферной сверхбыстродействующей памяти. В кэш память из динамической памяти заносятся команды и данные, которые процессор будет выполнять в данный момент.

Скорость работы ОЗУ ниже, чем быстродействие процессора, поэтому применяются различные методы для повышения её производительности. Одним из способов увеличения быстродействия динамического ОЗУ является размещение в одном корпусе микросхемы СБИС нескольких модулей памяти с чередованием адресов. Байт с нулевым адресом находится в первом модуле, байт с первым адресом находится во втором модуле, байт со вторым адресом находится в первом модуле и т.д. Поскольку, обращение к памяти состоит из нескольких этапов: установка адреса, выбор ячейки, чтение, восстановление, то эти этапы можно совместить во времени для разных модулей. Другим способом увеличения быстродействия является чтение из памяти содержимого ячейки с заданным адресом и нескольких ячеек, расположенных рядом. Они сохраняются в специальных регистрах защёлках. Если следующий адрес указывает на одну из уже считанных ячейках, то её содержимое читается из защёлки.

Несмотря на разработку новых типов схем динамических ОЗУ, снижающую время обращения к ним, это время все ещё остаётся значительным и сдерживает дальнейшее увеличение производительности процессора. Для уменьшения влияния времени обращения процессора к ОЗУ и увеличения производительности компьютера дополнительно устанавливается сверхбыстродействующая буферная память, выполненная на микросхемах статической памяти. Эта память называется кэш-памятью (от английского Cache– запас). Время обращения к данным в кэш-памяти на порядок ниже, чем у ОЗУ и сравнимо со скоростью работы самого процессора.

Запись в кэш-память осуществляется параллельно с запросом процессора к ОЗУ. Данные, выбираемые процессором, одновременно копируются и в кэш-память. Если процессор повторно обратиться к тем же данным, то они будут считаны уже из кэш-памяти. Такая же операция происходит и при записи процессором данных в память. Они записываются в кэш-память, а затем, в интервалы, когда шина свободна, переписываются в ОЗУ. Современные процессоры имеют встроенную кэш-память, которая находится внутри процессора, кроме этого есть кэш-память и на системной плате. Чтобы их различать кэш-память делится на уровни. На кристалле самого процессора находится кэш-память первого уровня, она имеет объём порядка 16-128 Кбайт и самую высокую скорость обмена данными. В корпусе процессора, но на отдельном кристалле находится кэш-память второго уровня, которая имеет объём порядка 256 Кбайт – 2 Мбайта. И, наконец, кэш-память третьего уровня расположена на системной плате, её объём может составлять 16 - 1000 Мбайт.

Управление записью и считыванием данных в кэш-память выполняется автоматически. Когда кэш-память полностью заполняется, то для записи последующих данных, устройство управления кэш-памяти по специальному алгоритму автоматически удаляет те данные, которые реже всего использовались процессором на текущий момент. Использование процессором кэш-памяти увеличивает производительность процессора, особенно в тех случаях, когда происходит последовательное преобразование относительно небольшого числа данных, которые постоянно, во время преобразования хранятся в кэш-памяти.

В одном адресном пространстве с ОЗУ находится специальная память, предназначенная для постоянного хранения таких программ как тестирование и начальной загрузки компьютера, управление внешними устройствами. Она является энергонезависимой, то есть сохраняет записанную информацию при отсутствии напряжения питания. Такая память называется постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) или ROM (Read Only Memory). Постоянные запоминающие устройства можно разделить, по способу записи в них информации, на следующие категории:

- ПЗУ, программируемые однократно. Такие ПЗУ программируются при изготовлении и не позволяют изменять записанную в них информацию.

- Перепрограммируемые ПЗУ (ППЗУ). ППЗУ позволяют перепрограммировать их многократно. Стирание хранящейся в ППЗУ информации осуществляется или засветкой полупроводникового кристалла ультрафиолетовым излучением, или электрическим сигналом, повышенной мощности, для этого в корпусе микросхемы предусматривается специальное окно, закрытое кварцевым стеклом.

2.7.3.Внутренние шины передачи информации

Общая шина, наряду с центральным процессором и запоминающим устройством, во многом определяет производительность работы компьютера, так как обеспечивает обмен информацией между функциональными узлами. Общая шина делится на три отдельные шины по типу передаваемой информации: шина адреса, шина данных, шина управления. Каждая шина характеризуется шириной – числом параллельных проводников для передачи информации. Другим важным параметром шины является тактовая частота шины – это частота, на которой работает контроллер шины при формировании циклов передачи информации.

Шина адреса предназначена для передачи адреса ячейки памяти или порта ввода-вывода. Ширина шины адреса определяет максимальное количество ячеек, которое она может напрямую адресовать. Если ширина шины адреса равна n, то количество адресуемой памяти равно 2ⁿ.

Шина данных предназначена для передачи команд и данных, и её ширина во многом определяет информационную пропускную способность общей шины. В современных компьютерах ширина шины данных составляет 32-64.

Шина управления включает в себя все линии, которые обеспечивают работу общей шины. Её ширина зависит от типа шины и определяется алгоритмом её работы или, как говорят, протоколом работы шины. Протокол работы шины состоит из нескольких циклов и выполняется контроллером шины, расположенным внутри процессора (рис. 2.15) или отдельным контроллером шины (рис. 2.12).

Приведём примерный протокол работы системной шины. Первый такт работы шины инициируется процессором, когда ему требуется произвести обмен информации с каким-либо устройством. Процессор выставляет на шину адреса адрес порта внешнего устройства или ячейки памяти и устанавливает управляющие сигналы, показывающие какой тип обмена и с каким устройством или памятью, он собирается произвести. На втором такте работы процессор ожидает от устройства сигнала о его готовности к приёму или передаче информации. Второй такт может повторяться бесконечное число раз, пока не будет получен сигнал о готовности устройства. На третьем такте процессор выставляет на шину данных передаваемую информацию при записи, или открывает шину данных для приёма информации. На четвёртом такте происходит обмен информацией и работа протокола передачи заканчивается.

Несмотря на то, что производители компьютеров постоянно предлагают новые варианты протоколов работы общих шин, которые обеспечивает более высокую производительность операций обмена информацией, её пропускная способность оказывается недостаточной для обеспечения данными таких высокопроизводительных функциональных узлов как центральный процессор, и некоторых внешних устройств, таких, например, как видео подсистема с высоким качеством отображения. Поэтому разработчики предлагают включать в состав компьютера дополнительных шин, связывающих напрямую центральный процессор и отдельные наиболее быстродействующие устройства. Такие шины получили название локальных шин. На рис.2.12 локальные шины используются для подключения к процессору запоминающего устройства и видеоконтроллера.

Ниже приведены обозначения и основные характеристики общих и локальных шин, применяемых в персональных компьютерах фирмы IBM.

Общая шина PCI(Peripheral Component Interconnect) применяется в настольных компьютерах, в настоящее время используется модификация PCI 2.1. Тактовая частота контроллера этой шины 66 МГц ширина шины адреса 32, а шины данных 64 разряда. Пиковая пропускная способность шины PCI 2.1 528 Мбайт/С.

Общая шина PCMCIA(Personal Computer Memory Card International Association) применяется в переносных компьютерах класса ноутбук и имеет параметры сравнимые с параметрами шины PCI.

Локальная шина для подключения видеоконтроллера AGP (Accelerated Graphics Port) позволяет организовать непосредственную связь видеоконтроллера и оперативного запоминающего устройства. Она ориентирована на массовую передачу видео данных. Имеет конвейерную организацию выполнения операций чтения/записи, что позволяет избежать задержек при обращении к модулям памяти. За один такт работы может передать два, четыре или восемь блоков данных, в зависимости от установленного режима работы. При установке режима параллельной передачи восьми блоков обеспечивает пиковую скорость передачи 2112 Мбайт/С.

2.7.4.Внешние запоминающие устройства

В отличие от оперативного запоминающего устройства, внешние запоминающие устройства (ВЗУ) обладают большим объёмом сохраняемой информации и являются энергонезависимыми. Наибольшее распространение в настоящее время получили дисковые ВЗУ которые, в зависимости от типа носителя, можно разделить на магнитные, оптические и смешанные.

Накопители на магнитных дисках

Магнитные диски в качестве запоминающей среды используют магнитные материалы со специальными свойствами, позволяющими фиксировать два состояния. Информация на магнитные диски записывается и считывается магнитной головкой, которая перемещается радиально с фиксированным шагом, а сам диск при этом вращается вокруг своей оси. Головка, считывает или записывает информацию, расположенную на концентрической окружности, которая называется дорожкой или треком. Количество дорожек на диске определяется шагом перемещения головки и зависит от технических характеристик привода диска и качества самого диска. За один оборот диска может быть считана информация с одной дорожки. Общее время доступа к информации на диске складывается из времени перемещения головки на нужную дорожку и времени одного оборота диска. Каждая дорожка дополнительно разбивается на ряд участков – секторов. Сектор содержит минимальный блок информации, который может быть записан или считан с диска. Чтение и запись на диск осуществляется блоками, поэтому дисководы называют блочными устройствами.

Физическая структура диска определяется количеством дорожек и числом секторов на каждой дорожке. Она задаётся при форматировании диска, которое выполняется специальными программами и должно быть проведено перед первым использованием диска для записи информации.

Кроме физической структуры диска, говорят ещё о логической структуре диска. Логическая структура определяется файловой системой, которая реализована на диске и зависит от операционной системы компьютера, на котором используется данный диск. Логическая структура подразумевает выделение некоторого количества секторов для выполнения служебных функций размещения файлов и каталогов на диске.

Дисководы магнитных дисков делятся на дисководы для сменных носителей (дискет) и дисководы жёстких дисков (винчестеры), которые устанавливаются в системном блоке компьютера. Сменные магнитные диски изготавливаются на основе гибкого синтетического материала, на который с обеих сторон нанесён слой магнитного материала. Такие гибкие диски имеют объём хранимой информации 1,44-2,88 Мбайт. Все сменные носители на дисках, в том числе и рассмотренные ниже оптические диски, характеризуются своим диаметром, или форм-фактором. Наибольшее распространение получили гибкие магнитные диски с форм-фактором 3,5 дюйма. Но существуют диски с форм-фактором 5,25 дюйма и 1,8 дюйма.

Кроме гибких дисков широкое распространение получили сменные магнитные носители типа ZIP. Использование более совершенной системы позиционирования головок системы привода позволило увеличить плотность записи, и довести его для диска с форм-фактором 3,5 дюйма до 250 Мбайт. К сожалению, диски ZIP несовместимы с обычными гибкими дисками и для их использования приходится устанавливать специальный привод ZIP.

Основа жесткого диска изготавливается из сплавов алюминия или керамики, на который наносится магнитный слой. Жёсткость диска позволяет увеличить плотность записи, по сравнению с гибким диском. Несколько жёстких дисков надеваются на одну общую ось и представляют собой пакет дисков. Такие пакеты позволяют резко увеличить объём информации, хранящейся на одном дисководе жёсткого диска. В настоящее время используются дисководы с объёмом 120 000-160 000 Мбайт, и это значение постоянно увеличивается.

Накопители на оптических дисках

Оптический компакт-диск (CompactDisk(CD)), который был предложен в 1982 году фирмами Philips и Sony, первоначально, для записи звуковой информации, произвёл переворот и в компьютерной технике, так как идеально подходил для записи цифровой информации больших объёмов на сменном носителе. Объём информации, записанной на компакт-диске, составляет 600-700 Мбайт. К достоинствам компакт-диска можно отнести и его относительную дешевизну в массовом производстве, высокую надёжность и долговечность, нечувствительность к загрязнению и воздействию магнитных полей.

Запись на компакт-диск при промышленном производстве производится в несколько этапов. Сначала с использованием мощного инфракрасного лазера, в стеклянном контрольном диске выжигаются отверстия диаметром 0,8 микрон. По контрольному диску изготавливается шаблон с выступами в тех местах, где лазер прожёг отверстия. В шаблон вводится жидкая смола (поликарбонат), и получают диск с таким же набором впадин, что и отверстий в контрольном диске. Со стороны впадин на диск напыляется тонкий слой алюминия, который затем покрывается лаком, защищающим его от царапин.

При воспроизведении лазерный диод небольшой мощности освещает диск со стороны противоположной нанесенному слою алюминия, который является отражателем светового луча лазера, а впадины превращаются в выступы. Впадины на диске имеют глубину равную четверти длины волны лазера, из-за чего фотодиод, принимающий отражённый свет лазера, получает света от выступа меньше, чем от площадки.

Впадины и площадки записываются на диск по спирали. Запись начинается от центра диска и занимает приблизительно 32 мм диска. Спираль проходит 22188 оборотов вокруг диска, её общая длина составляет 5600 М. На всём протяжении спирали скорость записи остаётся постоянной, поэтому специальное устройство при воспроизведении следит за постоянством линейной скорости, изменяя значение угловой скорости вращения диска. Так на внутренней стороне скорость равна 530 оборотов в минуту, а на внешней стороне скорость падает до 200 оборотов в минуту, при этом линейная скорость остаётся постоянной равной 1,2 М/С.

В середине 90-х годов появились устройства, устанавливаемые непосредственно на компьютере, и позволяющие производить однократную запись информации на компакт-диск. Для таких устройств выпускают специальные компакт-диски, которые получили название CD-Recodable (CD-R). Отражающим слоем у них служит тонкий слой позолоты. Между слоем позолоты и слоем поликарбамидной смолы вводится слой красителя. На диске без записи этот слой красителя бесцветен, но под воздействием лазерного луча краситель темнеет, образуя пятна, которые при воспроизведении воспринимаются как выступы.

Позднее появились компакт-диски с возможностью перезаписи – CD-ReWritable(CD-RW). На этих дисках слой красителя может находиться в двух состояниях: кристаллическом и аморфном. Эти два состояния имеют разную отражательную способность. Лазер устройства имеет три уровня мощности. При записи мощность лазерного диода повышается, и расплавляет слой красителя, переводя его в аморфное состояние с низкой отражательной способностью, что соответствует выступу (запись информации). При средней мощности краситель плавится и переходит в кристаллическое состояние с высокой отражательной способностью (стирание информации). Низкая мощность лазера используется для считывания информации.

Дальнейшее развитие технологий производства компакт-дисков привело к созданию дисков с высокой плотностью записи – цифровой универсальный диск DigitalVersatileDisk(DVD). Впадины на них имеют меньший диаметр (0,4 микрона), а спираль размещается с плотностью 0,74 микрона между дорожками (вместо 1,6 микрон у CD). Это позволило увеличить объём информации на диске до 4,7 Гбайт. Дальнейшее увеличение объёма информации обеспечивается применением двухсторонних DVD.

Флэш-память

К недостаткам дисковой памяти можно отнести наличие механических движущихся компонентов, имеющих малую надёжность, и большую потребляемую мощность при записи и считывании. Появление большого числа цифровых устройств, таких как МР3-плееры, цифровые фото  и видеокамеры, карманные компьютеры, потребовало разработки миниатюрных устройств внешней памяти, которые обладали бы малой энергоёмкостью, небольшими размерами, значительной ёмкостью и обеспечивали бы совместимость с персональными компьютерами. Первые промышленные образцы такой памяти появились в 1994 г.

Новый тип памяти получил название флэш-память (Flash-memory). Флэш-память представляет собой микросхему перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (ППЗУ) с неограниченным числом циклов перезаписи. В ППЗУ флэш-памяти использован новый принцип записи и считывания отличный от того, который используется в известных схемах ППЗУ. Кристалл схемы флэш-памяти состоит из трёх слоёв. Средний слой, имеющий толщину порядка 1,5 нм, и изготовлен из ферроэлектрического материала. Две крайние пластины представляют собой матрицу проводников для подачи напряжения на средний слой. При подаче напряжения, на пересечении проводников возникает напряжении, достаточное для изменения направления магнитного момента атомов его кристаллической решетки, расположенной под местом пересечения проводников. Направления магнитного поля сохраняется и после снятия внешнего электрического поля. Изменение направления магнитного поля ферроэлектрика изменяет сопротивления этого участка слоя. При считывании, на один крайний слой подаётся напряжение, а на втором слое замеряется напряжение, прошедшее через ферроэлектрик, которое будет иметь разное значение для участков с разным направление магнитного момента. Такой тип флэш-памяти получил название FRAM (ферроэлектрическая память с произвольным доступом).

Конструктивно флэш-память выполняется в виде отдельного блока, содержащего микросхему флэш-памяти и контроллер, для подключения к одному из стандартных входов компьютера. Размеры этого блока 40х16х7 мм. Флэш-память, используемая в других цифровых устройствах имеет иные размеры и конструктивное оформление. В настоящее время объём флэш-памяти составляет 64 – 256 Мбайт, скорость записи составляет 0,7 Мбайт/С, а скорость считывания – 1,5 Мбайт/С.

2.7.5.Внешние устройства

Видеотерминалы

Видеотерминалы предназначены для оперативного отображения текстовой и графической информации в целях визуального восприятия её пользователем. Видеотерминал состоит из видеомонитора (дисплея) и видеоконтроллера.

Для персональных компьютерах используются мониторы следующих типов:

• 
  на основе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ);
  
• 
  на основе жидкокристалических индикаторов (ЖКИ, LCD – Liquid Crystal Display);
  
• 
  плазменные мониторы (PDP – Plasma Display Panels);
  
• 
  электролюминесцентные мониторы (FED – Field Emission Display);
  
• 
  самоизлучающиемониторы (LEP – Light Emission Plastics).
  

Основными характеристиками мониторов являются следующие.

Размер экрана монитора, который задаётся обычно величиной его диагонали в дюймах. Домашние персональные компьютеры оснащаются мониторами с размерами 15 или 17 дюймов, а для профессиональной работы, требующей отображения мелких деталей, используются мониторы с размерами 21 и 22 дюйма.

Ещё одна важная характеристика монитора – разрешающая способность, которая определяется числом пикселей (световых точек) по горизонтали и вертикали. Стандартные значения разрешающей способности современных мониторов: 800600, 1024768, 18001440, 20481536 и др. Значение разрешающей способности определяет качество изображения на экране.

Рабочая частота кадровой развёртки определяет скорость смены кадров изображения, она влияет на утомляемость глаз при продолжительной работе на компьютере. Чем выше частота кадровой развёртки тем меньше утомляемость глаз. Частота смены кадров во многом зависит от разрешающей способности экрана: чем выше разрешающая способность, тем меньше частота смены кадров, например, при разрешении 800600 максимальная частота смены кадров может составить 120 Гц, а при разрешении 16001200 – 67 Гц.

На разрешающую способность монитора и качество изображения влияет объём видео памяти. Современные видеоконтроллеры для хранения цвета каждого пикселя расходуют до 4 байт памяти, для чего необходимо иметь объём видеопамяти от 32 до 128 Мбайт. Больший объём видеопамяти позволяет устанавливать более высокий режим разрешения и большее число цветов для каждого пикселя.

Мониторы на основе ЭЛТ используют электронно-лучевые трубки, применяемые в обычных телевизионных приёмниках, и устройства, формирующего на экране точки (пиксели). Луч, двигающийся горизонтально, периодически, засвечивает люминофор экрана, который под действием потока электронов начинает светиться, образуя точку. Для цветных мониторов засветка каждой точки осуществляется тремя лучами, вызывающие свечение люминофора соответствующего цвета – красного, зелёного и синего. Цвет точки создаётся смешением этих трёх основных цветов и зависит от интенсивности каждого электронного луча. Цветной монитор может отображать до 16 млн. оттенков в каждой точке.

Мониторы на жидкокристалических индикаторах представляют собой плоские панели. Эти мониторы используют специальную прозрачную жидкость, которая при определённых напряжённостях электростатического поля кристаллизуется, при этом изменяется её прозрачность и коэффициент преломления световых лучей. Эти эффекты используются для формирования изображения. Конструктивно такой монитор выполнен в виде двух электропроводящих стеклянных пластин, между которыми помещён слой кристаллизующейся жидкости. Для создания электростатического поля стеклянная пластина покрыта матрицей прозрачных проводников, а пиксель формируется на пересечении вертикального и горизонтального проводника. Иногда на пересечении проводников ставят активный управляющий элемент – транзистор. Такие экраны, которые получили название TFT-экранов (Thin Film Transistor – тонкоплёночный транзистор), имеют лучшую яркость и предоставляют возможность смотреть на экран даже с отклонением до 45 от вертикали. Этот показатель отличает TFT-экраны от экранов с пассивной матрицей, которые обеспечивали качество изображения только при фронтальном наблюдении.

В плазменных мониторах изображение формируется светом, выделяемым при газовом разряде в каждом пикселе экрана. Конструктивно плазменная панель состоит трёх стеклянных пластин, на две из которых нанесены тонкие прозрачные проводники: на одну вертикально, на другую – горизонтально. Между ними находится третья пластина, в которой в местах пересечения проводников двух первых пластин имеются сквозные отверстия. Эти отверстия при сборке заполняются инертным газом: неоном или аргоном, они и образуют пиксели. Плазма газового разряда, возникающая при подаче высокочастотного напряжения на вертикальный и горизонтальный проводники, излучает свет в ультрафиолетовом диапазоне, который вызывает свечение люминофора. Каждый пиксель представляет собой миниатюрную лампу дневного света. Высокая яркость и контрастность, отсутствие дрожания изображения, а так же большой угол отклонения от нормали, при котором изображение сохраняет высокое качество, являются большими преимуществами таких мониторов. К недостаткам можно отнести недостаточную пока разрешающую способность и достаточно быстрое (пять лет при офисном использовании) ухудшения качества люминофора. Пока такие мониторы используются только для конференций и презентаций.

Электролюменесцентные мониторы состоят из двух пластин, с ортогонально нанесёнными на них прозрачными проводниками. На одну из пластин нанесён слой люминофора, который начинает светиться при подаче напряжения на проводники в точке их пересечения, образуя пиксель.

Самоизлучающие мониторы используют матрицу пикселей, построенную на основе полупроводникового материала, излучающего свет при подаче на него напряжения (светодиод). На сегодняшний день имеются монохромные самоизлучающие дисплеи с жёлтым свечением, но они уступают по сроку службы LCD мониторам. Удалось создать органический проводник, имеющий широкий спектр излучения. На основе этого материала планируется создать полноразмерный цветной самоизлучающий монитор. Достоинства таких мониторов заключаются в том, что они обеспечивают 180-градусный обзор, работают при низком напряжении питания и имеют малый вес.

Устройства ручного ввода информации

Клавиатура. Клавиатурой называется устройство для ручного ввода информации в компьютер. Современные типы клавиатур различаются, в основном, принципом формирования сигнала о нажатии клавиши. Наиболее распространённые клавиатуры имеют под каждой клавишей купол, выполненный из специальной резины, который прогибается при нажатии клавиши и замыкает контакты проводящим слоем, расположенным на куполе. У некоторых клавиатур под каждой клавишей находится магнит, который при нажатии перемещается и проходит через катушку, наводя в ней ток самоиндукции.

Среди современных типов клавиатур можно отметить беспроводную клавиатуру, в которой передача информации в компьютер происходит с помощью датчика инфракрасного излучения, аналогично пультам управления различной бытовой техники. Такая клавиатура позволяет работать в любом, удобном для пользователя месте помещения, не привязываясь к расположению системного блока. Можно так же отметить гибкую резиновую клавиатуру, которая работает бесшумно, защищена от механических и химических разрушающих воздействий, очень тонкая и может быть свёрнута в виде цилиндра.

Клавиатурный процессор, который обрабатывает сигналы от клавиатуры, определяет номер клавиши, которая была нажата, так называемый скан-код, а сервисные программы операционной системы уже определяют какой именно символ или команда были введены. Такой подход позволяет сопоставлять каждой клавише больше одного символа. Так, например, алфавитные клавиши клавиатуры ассоциируются с четырьмя различными символами: строчными и прописными символами латинского и национального алфавита. Точно так же происходит и с управляющими клавишами. При нажатии клавиши клавиатурный процессор посылает в специальный буфер клавиатуры, расположенный в оперативной памяти, скан-код клавиши, состоящий из двух байт: байта собственно скан-кода и байта, определяющего какие дополнительные управляющие клавиши при этом удерживались нажатыми. К управляющим клавишам относятся клавиши Ctrl, Alt, Shift, которые ещё и различаются по месту расположения: левые и правые, а так же их комбинации. Сервисная программа читает из буфера клавиатуры эти два байта и передаёт их в программу, которая решает какой именно символ или управляющий сигнал необходимо отобразить. Такой подход к обработке нажатий клавиш значительно расширяет возможности клавиатуры при задании управляющих комбинаций клавиш или при смене национального алфавита. Специальная программа в операционной системе Windows, например, позволяет изменить целиком раскладку клавиш или национальный алфавит или значения отдельных клавиш.

Клавиатурный процессор предоставляет пользователю ещё одну интересную возможность: ввода символа, который не отображён на клавиатуре. Для этого на малой цифровой клавиатуре (она расположена слева) набирается десятичный код требуемого символа при одновременном удерживании клавиши Alt. Таким образом можно ввести символ псевдографики или управляющий символ, отсутствующий на клавиатуре.

Манипулятор типа "мышь". В качестве дополнительных устройств для ручного ввода информации наиболее широко используются устройства графического ввода типа "мышь" и устройства для ввода информации в игровые программы – джойстики.

Манипулятор "мышь" представляет, особенно для начинающих пользователей, бесценное средство для работы с компьютером. Современные графические операционные системы предоставляют пользователю графические объекты, размещённые на экране дисплея, и обращение к ним производится с помощью движущегося по экрану специального значка – курсора, обычно имеющего вид стрелки, который позволяет активизировать объект, не задумываясь о командах, которые при этом выполняются. Профессиональные пользователи активизируют работу объектов командами с клавиатуры, так как это ускоряет работу и не требует перемещения рук от клавиатуры. Но и профессионалы пользуются мышью, например, работая в графических редакторах или создавая приложения в визуальных средах программирования. Мышь используется и в некоторых игровых программах.

Мышь представляет собой электронно-механическое устройство, внешний вид которой и принцип действия весьма разнообразны. Например, в портативных компьютерах мышь вмон­тирована в корпус компьютера и представляет собой площадку с сенсорами, которые отслеживают движения пальца по площадке и силу его давления и перемещают курсор по экрану или, при более сильном нажатии, выполняют команду. Такие устройства получили названия трекпоинты или трекпады. Но наиболее популярные типы мыши, применяемые в настольных компьютерах, имеют вид небольшой коробочки, сверху которой находятся две кнопки управления командами мыши и колесико скроллинга, применяемого для прокрутки информации в некоторых приложениях. На нижней части находится механическое или электронное устройство, отслеживающее перемещение мыши по поверхности.

Механическое устройство состоит из резинового шарика, вращающего, при перемещении мыши, и двух роликов, расположенных под прямым углом друг к другу. Ролики, в свою очередь, вращают колесики с прорезями. Свет от светодиода через прорезь попадает на фотодиод, который отсчитывает число прорезей и направление их прохождения, преобразуя их в вертикальную и горизонтальную составляющие движения. Эти сигналы поступают в компьютер, и сервисная программа, управляющая курсором мыши, перемещает его на экране в требуемом направлении. Эта же программа отслеживает нажатие левой и правой кнопки и число их нажатий за определённый промежуток времени. Программа способна отследить любое количество нажатий от одного до тридцати двух тысяч, однако, на практике используется только одиночный или двойной щелчок кнопки.

Электронные устройства перемещения используют принцип обработки отраженных световых импульсов от поверхности, по которой перемещается мышь. Такие устройства значительно надёжнее механических. Выпускаются мыши, передающие информацию в компьютер по инфракрасному каналу. У таких мышей отсутствует "хвостик", связывающий её с компьютером, из-за которого она и получила своё имя.

Джойстик. Манипулятор типа джойстик является основным устройством для управления многочисленными компьютерными играми. Хотя большинство игровых программ допускают управление от клавиатуры, джойстики обеспечивают больший контроль над игрой и значительно полнее передают реальную игровую ситуацию, связанную с работой авиационных, автомобильных и иных имитаторов движения. Для истинных фанатов игр выпускают джойстики, похожие на реальные органы управления объектом: штурвалы, педали, рули и даже целые кабины.

Простейший джойстик представляет собой основание с укреплённой на ней подвижной рукояткой, на которой размещены четыре кнопки и двухпозиционный курок. Отклонение рукоятки может осуществляться во все стороны и имитирует штурвал самолёта или рычаг управления танком. Функции всех кнопок и положения рукоятки программируются и для разных игр могут иметь разные действия. Некоторые дорогие модели имеют механизм обратной связи игры с рукояткой джойстика, при этом рукоятка оказывает некоторое сопротивление перемещению, имитируя сопротивление среды, в котором перемещается объект. Для подключения джойстика к компьютеру используется стандартный вход, размещаемый обычно на разъёме звуковой карты или другой стандартный вход компьютера.

Устройства печати.

Существует несколько типов устройств, обеспечивающих получение твёрдой копии электронного документа на бумаге или другом материале. Наибольшее распространение получили два типа таких устройств: принтеры и плоттеры.

Печатающие устройства (принтеры) – это устройства вывода данных из компьютера, формирующие поточечное изображение копии документов на бумаге или ином аналогичном материале, например, прозрачной плёнке, применяемой для размножения документов типографским способом. Принтеры весьма разнообразны по принципу действия и качеству воспроизведения изображения, по размеру бумаги, на которой они могут его воспроизводить, а так же возможности печати цветных или только чёрно-белых изображений и скорости печати.

Основной характеристикой принтера, определяющей качество получаемого бумажного документа, является разрешающая способность, которая измеряется числом элементарных точек (dots), которые помещаются на одном дюйме – dotsperinch (dpi). Чем выше разрешающая способность тем точнее воспроизводятся детали изображения. Современные принтеры обеспечивают разрешение от 200 до 2880 dpi.

Ещё одной важной характеристикой, является производительность принтера, которая измеряется количеством страниц, изготовляемых принтером в минуту – pageperminute (ppm). Обычно производительность указывается для страниц формата А4.
Матричные принтеры. Изображение в матричных принтерах формируется из точек, которые получаются путём удара тонкой иглы по красящей ленте, прижимаемой в момент удара к бумаге. Иглы, число которых составляет от 9 до 24, объединены в головке и размещены в ней вертикально в один ряд. Каждая игла управляется отдельным магнитом, а головка движется горизонтально вдоль листа. Таким образом, за один проход головки получается полоса, высота которой в точках равна числу игл в головке. Скорость матричных принтеров не высока и составляет около 2 ppm. Разрешающая способность составляет 200 – 360 dpi. Достоинством матричных принтеров является низкая стоимость расходных материалов (красящей ленты) и возможность печати одновременно нескольких копий документа. К недостатками относится низкая скорость печати и шум при печати.
Струйные принтеры. В нашей стране это в настоящее время наиболее распространённый тип принтера. Печатающая головка струйного принтера вместо иголок содержит тонкие трубочки – сопла, через которые на бумагу выбрасываются мельчайшие дозированные капли красителя. Число сопел в головке составляет от 12 до 64. Струйные принтеры выполняют и цветную печать. При цветной печати цветная точка получается смешением в заданных пропорциях красителей трёх основных цветов: голубого, пурпурного и жёлтого, выстреливаемого из трех сопел. Качество цветной печати получается очень высокое и практически неотличимо от типографского.

К достоинствам струйных принтеров можно отнести: высокое разрешение, которое в зависит от числа сопел в головке, и составляет от 300 до 1200 dpi; высокая скорость печати, которая доходит до 10 ppm; бесшумность работы.

Основными недостатками является высокая стоимость расходных материалов и возможность засыхания красителя в сопле, что заставляет преждевременно заменять весь печатающий блок. Иногда, при нанесении большого объёма красителя, бумага коробится.
Лазерные принтеры. Лазерные принтеры обеспечивают наиболее качественную печать с наивысшим разрешением и скоростью. Изображение в них формируется в несколько этапов. На первом этапе происходит засветка узким прерывистым световым лучом от лазерного диода барабана, на который нанесён тонкий слой материала, электролизующегося под действием света. На втором этапе барабан посыпается мелко дисперсионным красящим порошком, который налипает на барабан в точках засветки, а лишний порошок удаляется. Третий этап состоит в прокатывании барабана с налипшим на него порошком по бумаге, в результате чего краситель переходит на бумагу. Последний этап состоит в термической обработке бумаги. Она нагревается до 200, в результате порошок расплавляется и проникая в структуру бумаги, закрепляется на ней. Лазерные принтеры могут обеспечить печать цветного изображения. Оно получается нанесением на барабан порошков разных цветов.

К достоинствам лазерных принтеров можно отнести высокое качество печати, высокую скорость печати (до 40 ppm), а так же низкая себестоимость копии и бесшумность в работе.
Плоттеры. Плоттеры или графопостроители используются, в основном, для вывода графической информации – чертежи, схемы, диаграммы и т.п. Основное достоинство плоттеров заключается в том что они предназначены для получения изображения на бумаге большого формата, например, А1.

Плоттеры делятся на два больших класса: векторные и растровые. В векторных плоттерах пишущий узел перемещается относительно бумаги сразу по вертикали и горизонтали, вычерчивая на бумаге непрерывные кривые в любом направлении. В растровых плоттерах пишущий узел перемещается относительно бумаги только в одном направлении, и изображение формируется строка за строкой из последовательности точек.

Векторные плоттеры используют для рисования узел, который, в общем, называется пером. В качестве пера используются перья с чернилами, фибровые и пластиковые стержни (фломастеры), карандашные грифели и мелки или шариковые узлы однократного и многоразового действия. Перьевые плоттеры обеспечивают высокое качество как однотонных, так и цветных изображений, но имеют невысокую скорость работы. Постепенно перьевые и шариковые узлы плоттеров вытесняются струйными узлами, которые аналогичны узлам струйных принтеров. Для получения очень высокого качества печати используются электростатические плоттеры, которые используют специальную электростатическую бумагу, на которой создаётся потенциальный рельеф и осаждения на него слоя красителя в тех местах, где бумага имеет электрический статический заряд.

Растровые плоттеры могут иметь струйный или лазерный пишущий узел. Их основное отличие от принтеров с подобным принципом работы состоит в ширине обрабатываемого изображения.

Разнообразие существующих типов плоттеров и их высокая стоимость требует тщательного анализа при выборе плоттера. Необходимо учесть такие параметры как качество изображения, возможности использования цветовой палитры, производительность, эксплуатационные расходы, выражающиеся в себестоимости одной копии полученного изображения.

Устройства поддержки безбумажных технологий

До появления электронных носителей информации основные средством сохранения документов являлась бумага. Перевод бумажных документов в электронные копии позволит сохранять их практически вечно. Кроме того, развитие глобальной сети позволяет обмениваться информацией только в электронном виде. Поэтому устройства, преобразующие бумажные документы в электронные копии и снабжённые системами автоматического распознавания текста, являются необходимыми элементами создания систем безбумажной технологии.

Наиболее распространёнными устройства для решения задачи перевода бумажных документов в электронные копии являются сканеры. Сканеры весьма разнообразны, и их можно классифицировать по целому ряду признаков. Прежде всего, сканеры бывают черно-белые и цветные.

Чёрно-белые сканеры могут считывать штриховые и полутоновые изображения. Полутоновые изображения могут иметь до 256 градаций серого цвета. В цветных сканерах сканируемое изображение освещается через вращающийся светофильтр, воспринимающий последовательно три основных цвета, или тремя последовательно зажигаемыми лампами красного, зелёного и голубого цветов.

Следующая важная характеристика сканеров – разрешающая способность, измеряющаяся количеством различаемых точек на дюйм изображения, и составляет от 75 до 1600 dpi. Высокое разрешение необходимо для комфортного визуального восприятия. Для нормальной работы программ распознавания образов, и, в частности, распознавания текстов, которым снабжаются сканеры, вполне достаточно разрешающей способности в 300-600 dpi. Для публикации картинок на web-сайтах Интернета достаточно разрешения 80 dpi. Разрешение необходимо выбирать индивидуально для каждого конкретного использования сканируемого изображения. Увеличение разрешения резко увеличивает размер файла, в котором сохраняется изображение, это может вызвать затруднения при его пересылке и хранении.

При больших объёмах сканирования очень важное значение приобретает скорость сканирования документа. Оно может измеряться в миллиметрах в секунду, но на практике чаще используется количество секунд, затрачиваемое на сканирование одной страницы. Необходимо отметить, что скорость сканирования цветных изображений значительно ниже, чем штриховых черно-белых. Снижается скорость сканирования и при увеличении разрешающей способности сканера.

Конструктивно сканеры делятся на три типа: ручные, планшетные и роликовые. Ручные сканеры перемещаются по изображению вручную. Они выполнены в виде блока с рукояткой, который "прокатывают" по изображению. За один проход сканируется лишь часть изображения, так как ширина сканирования не превышает 105 мм. Всё изображение сканируется за несколько проходов. Специальное программное обеспечение, поставляемо вместе со сканерами позволяет совмещать части отсканированного изображения. Ручные сканеры имеют малые габариты и низкую стоимость и позволяют сканировать изображения любого размера, но могут возникать искажения при совмещении частей изображения.

Планшетные сканеры являются наиболее распространённым типом сканера. В них сканирующая головка (линейка светодиодов) перемещается относительно неподвижного оригинала, который помещается на прозрачное стеклянное основание. Достоинство таких сканеров заключается в том, что с их помощью можно сканировать и листовые и сброшюрованные документы (книги). Скорость сканирования таких сканеров составляет 2-10 секунд на страницу формата А4. К недостаткам планшетных сканеров можно отнести необходимость ручного позиционирования каждой страницы оригинала.

Роликовые сканеры используются для пакетной обработки листовых документов. В них подача очередного листа для сканирования происходит автоматически. Сканирующая головка в таких сканерах неподвижна, а лист оригинала перемещается относительно неё. К недостаткам роликовых сканеров можно отнести проблему выравнивания листов и сложность работы с листами нестандартного размера.

Устройства обработки звуковой информации

Звуковая карта – это периферийное устройство, которое ещё несколько лет назад считалось экзотическим, а теперь стало почти стандартным и включено в состав основного набора микросхем системных плат. Звуковая карта обеспечивает запись и воспроизведение звуковой информации с качеством не хуже того, который обеспечивает звуковой компакт-диск. Имеет 16-битный стереофонический цифро-аналоговый и аналого-цифровой преобразователи для записи и воспроизведения звуковой информации с цифрового или аналогового носителей и микрофона. Поддерживает функции создания звуковых эффектов для игровых программ. Имеет стандартные выходы для подключения акустической системы компьютера и внешних усилителей звуковых частот.

Звуковая карта работает в трёх основных режимах: создание, запись и воспроизведение звуковых сигналов. В режиме создания звука плата действует как музыкальный инструмент, синтезирующий сложный звуковой сигнал. Для синтеза используются два метода. Первый метод получил название FM-синтеза. FM-синтез осуществляется с помощью специальных генераторов, которые могут изменять частоту и амплитуду тона. Эти генераторы могут моделировать звучание определённого музыкального инструмента. На звуковой плате устанавливается от четырех до 18 генераторов, которые, соответственно, могут имитировать одновременное звучание двух – девяти инструментов. Звук, синтезированный FM-методом, имеет некоторый "металлический" оттенок и не похож на звучание настоящего музыкального инструмента.

Второй метод получивший название WT-синтез, обеспечивает более высокое качество звучания. В основе этого синтеза лежат записанные ранее и хранящиеся в виде файлов образцы звучания музыкальных инструментов (MIDI-файлы). WT-синтезаторы манипулируют записанными образцами, создавая сложные музыкальные образы. Достоинство этого метода не только в высоком качестве синтезированного звука, но и в том, что количество и типы музыкальных инструментов можно расширить, установив на компьютер дополнительные MIDI-файлы.

В режиме записи звуковая карта принимает звук от внешнего источника и производит его оцифровку, то есть преобразует его из аналоговой (непрерывной) формы в цифровую (дискретную) и сохраняет числовые данные виде файлов на диски. Качество оцифрованного звука во многом зависит от разрядности преобразования и частоты дискретизации.

При воспроизведении звуковая карта может принимать оцифрованный или непрерывный сигнал. Для этого карта имеет специальные разъёмы для подключения источников непрерывного сигнала, вход для подключения выход CD-диска и усилитель, позволяющий выводить сигнал на внешние акустические системы.

Качество оцифровываемого и воспроизводимого сигнала зависит от таких параметров звуковой карты, как частота дискретизация, которая должна составлять не менее 44 кГц, разрядность оцифрованного сигнала (12-16 бит) и возможность стереофонической записи и воспроизведения.

Устройства для соединения компьютеров в сеть

Модем. Одной из популярных областей применения персонального компьютера является работа в глобальной сети Internet. К ней компьютер подключается по обычной телефонной или специальной линии с помощью устройства, которое называется модем (Модулятор + ДЕМодулятор). Цифровые данные, поступающие в модем из компьютера, преобразуются в нём путём модуляции в специальный непрерывный сигнал, который и направляется в линию передачи. Модем-приёмник осуществляет обратное преобразование сигнала (демодуляцию) и пересылает восстановленные цифровые данные в свой компьютер. Скорость передачи данных современными модемами составляет 33 600 или 56 000 бит в секунду и зависит от поддерживаемого модемом протокола передачи. Модем конструктивно может быть выполнен как отдельное устройство, подключаемое к компьютеру через один из его стандартных последовательных входов или как внутреннее устройство, размещаемое внутри системного блока компьютера.

Развивающиеся цифровые технологии передачи данных, требующие значительно больших скоростей передачи и качества связи, требуют использования цифровых модемов. Цифровые модемы не являются действительно модуляторами-демодуляторами сигналов, так как и на входе и на выходе имеют импульсный сигнал. Они выпускаются разных модификаций для конкретных цифровых сетей и их скорость передатчик составляет от 300 Кбит/С до 2-5 Мбит/С. Выпускаются также сотовые модемы для работы в системе сотовой связи, и радиомодемы, которые осуществляют приём и передачу в пределах прямой видимости пары модемов и работают на ультракоротких волнах.

Сетевая карта. Если компьютеры объединяются в сеть, для которой прокладывается специальный кабель, то вместо используются специальные платы расширения, вставляемые в слот расширения системной платы. Такие платы называются сетевыми адаптерами или сетевыми картами. Скорость передачи данных по сети через сетевые карты составляет 10 – 100 Мбит/С.

Сетевая карта имеет свой уникальный адрес, который однозначно определяет адрес локального компьютера в сети. Она преобразует данные, поступающие к ней от компьютера в специальные пакеты – кадры, пересылает их адресату, то есть другой сетевой карте и отвечает за надёжную доставку указанному адресату по сети. Так как функции, которые выполняет сетевая карта, достаточно сложны, в её состав включен специализированный процессор, обеспечивающий высокоскоростную аппаратную поддержку выполнения этих функций. При выборе сетевой карты основным параметром является тип сети, в состав которой будет включен локальный компьютер. Известные стандартные типы локальных сетей, такие как FDDI, Ethernet и др., несовместимы между собой, и каждая сетевая карта поддерживает только определённый вид локальной сети.

2.8.Перспективы развития технических средств обработки информации

При разработке и создании компьютеров и сопутствующей техники существенный и устойчивый приоритет в последние годы имеют сверхмощные суперкомпьютеры и миниатюрные и сверхминиатюрные компьютеры. Ведутся поисковые работы по созданию компьютеров шестого поколения, базирующихся на распределённой "нейронной" архитектуре – нейрокомпьютеры. Ближайшие прогнозы по созданию новых функциональных устройств обещают создание микропроцессоров с быстродействием 100 млн. операций в секунду; встроенные сетевые и видео интерфейсы, плоские крупноформатные дисплеи с разрешающей способностью 12001000 пикселей и более; портативные, размером со спичечный коробок, магнитные диски ёмкостью более 100 Гбайт.

В сетевых технологиях предполагается повсеместное внедрение мультиканальных широкополосных радио, волоконно-оптических и оптических каналов обмена информации в сети компьютеров, которые обеспечат практически неограниченную пропускную способность.

Предполагается широкое внедрение средств мультимедиа и в первую очередь аудио- и видео-средств ввода и вывода информации и возможности общения с компьютером на естественном языке.