Зинкевич В.П. Вычислительная техника и программирование
Подождите немного. Документ загружается.
В настоящее время более всего распространены интерфейсы
(контроллеры) EIDE. Этот контроллер обеспечивает подключение до четырех
внешних устройств (НЖМД, CD, стримеров и т.п.). На серверах локальных
сетей и других высокопроизводительных компьютерах применяются НЖМД
с интерфейсом SCSI или его разновидностями. Контроллер SCSI стоит в
несколько раз дороже EIDE, но обеспечивает более высокое быстродействие
и позволяет подключать до 31 устройства [ 7 ].
8.3. Накопители на гибких магнитных дисках
Эти внешние запоминающие устройства позволяют переносить
программы и документы с одного компьютера на другой, а также хранить
информацию как резервную. Однако надежность этих устройств по
сравнению с НМЖД небольшая. В настоящее время более всего
распространены дискеты 3,5” (89 мм) – разработка фирмы Sony (1980 г.).
Стандартная емкость такой дискеты составляет 1,44 МБ. На дискете имеется
специальная защелка. Запись на дискету разрешена, если отверстие закрыто.
Перед первым использованием дискет их необходимо специальным образом
инициализировать (форматировать). Эта процедура выполняется с помощью
специальной программы. При этом осуществляется проверка поверхности
дискеты. Участки, имеющие дефекты, помечаются и в дальнейшем не
участвуют в процедурах запись-считывание. В настоящее время дискеты в
основном поступают от производителя уже отформатированными. Но в
процессе эксплуатации иногда возникает необходимость заново
форматировать дискеты, например, при появлении на магнитной
поверхности дефектов.
8.4. Накопители на магнитных лентах
Данные накопители относятся к наименее дорогим и достаточно
надежным ВЗУ (сохранность информации обеспечивается в течение более 30
лет) для организации архивов и резервного копирования данных. В них
используется две базовые технологии: линейная запись (запись с
неподвижной магнитной головкой) и наклонно-строчная запись. Суть первой
состоит в том, что используется достаточно широкая лента с большим
числом расположенных по всей длине ленты параллельных дорожек и
многоканальная магнитная головка. Лента протягивается мимо головки. При
этом считывается часть (группа) дорожек ( чем больше дорожек считывается
одновременно, тем выше производительность устройства). По окончании
ленты головка перепозиционируется на следующую группу дорожек, а
лентопротяжный механизм реверсирует движение ленты. Этот процесс
повторяется пока не будут считаны или записаны все дорожки. Такой метод
записи-считывания называют серпантинным. Основные изготовители
устройств с линейной записью Quantum Corp. и Tandberg Data ASA.
31
Плотность расположения дорожек на ленте (количество на 1 дюйм ширины)
может достигать 2806 в устройстве DDS-3 (фирма Sony), а линейная
плотность 133. Емкость таких устройств на 1 картридж может превышать 100
ГБ.
В наклонно-строчной записи лента протягивается с небольшой скоростью
(несколько см в секунду) мимо вращающейся с высокой скоростью цилиндра
с размещенными в нем головками чтения/записи. За счет вращения блока
головок получается относительная высокая скорость между лентой и
головкой. Преимущества этого метода состоят в следующем. Поскольку
абсолютная скорость движения ленты невелика, процессы старта и остановки
занимают меньше времени и оказывают меньшие механические нагрузки на
ленту. Следовательно можно использовать более тонкие ленты. Кроме того
при наклонно-строчной записи плотность расположения дорожек в несколько
раз выше, чем при линейной записи. Поэтому сами устройства получаются
более компактными, а картриджи меньшими по размерам.
8.5. Накопители на оптических дисках
К таковым накопителям относят CD- и DVD-устройства. Поверхность
оптического CD-диска перемещается относительно лазерной головки с
постоянной линейной скоростью. Луч лазера проникает сквозь защитный
слой пластика и попадает на отражающий слой алюминия на поверхности
диска. При попадании на выступ он отражается на детектор. Если же луч
попадает в ямку он рассеивается и малая его часть отражаясь доходит до
детектора. Ямки воспринимаются как логические нули, а гладкая
поверхность как логические единицы. Объем памяти на таком диске
составляет 600-700 МБ. Существует несколько разновидностей этих дисков :
CD-ROM, CD-R и CD-RW. Первые служат только для считывания
информации, во вторых информация однократно записывается и
многократно считывается, а третьи являются перезаписываемыми
носителями. В настоящее время CD-устройства постепенно вытесняются
DVD-устройствами. Диски DVD имеют те же размеры, что и CD-диски
(5,25”). Для повышения их емкости по сравнению с CD-устройствами
уменьшена ширина трека и размер хранящей ячейки. Кроме того , для записи
информации могут использоваться две стороны диска, а на каждой стороне
информация может храниться в нескольких слоях. Таким образом один диск
может иметь несколько рабочих плоскостей. В настоящее время существуют
диски с емкостью 4,7 ГБ, 17 ГБ и 54 ГБ и тенденция к постоянному
увеличению этого параметра.
8.6. Накопители на магнитооптических дисках
В устройствах с магнитооптическими дисками. МОД (MOD – Magneto-
Optical Drives), в процессе записи и считывания магнитного носителя
32
используется лазер. МОД сочетают практически неограниченное число
перезаписей, свойственное магнитным носителям, с чрезвычайно надежным
хранением записанной информации. Запись осуществляется термомагнитным
способом: магнитное поле головки способно перемагнитить только
микроскопическую зону носителя, разогреваемую лазерным лучом до
температуры выше точки Кюри (порядка 200
0
С). Зона, вышедшая из под луча
сохраняет полученное состояние намагниченности. Считывание информации
с магнитного слоя также выполняется с помощью лазера (при малой
мощности излучения) и основано на эффекте Керра – изменении паляризации
света под действием магнитного поля. Отраженный луч проходит через
поляризационную оптику, в результате на фотоприемник приходит луч,
интенсивность которого модулирована по амплитуде в соответствии с
записью на магнитном слое. Емкость магнитооптических дисков достигает
4,6 ГБ (диаметр 5,25” при двусторонней записи). В настоящее время
магнитооптические диски уступают свои позиции DVD-устройствам.
8.7. Доменные запоминающие устройства
Эти ЗУ (они еще называются ЗУ на цилиндрических магнитных доменах
– ЦМД-устройства) отличаются от других магнитных запоминающих
устройств отсутствием механических подвижных частей [ 3 ]. Основы их
функционирования были разработаны в середине 60-ых гг. в Bell Labs
(США). Потенциальные возможности доменных устройств кажутся
заманчивыми до настоящего времени и исследованиями в этой области
занимаются крупнейшие фирмы (например, IBM, Intel). Принцип действия их
основан на том, что в кристалле магнитного вещества (феррит-гранат) при
определенных внешних условиях могут возникать домены – области с одним
направлением намагниченности, отличным от намагниченности основной
массы магнитного материала. Диаметр доменов может быть меньше 1 мкм.
Наличие домена в определенном месте или его отсутствие дают возможность
фиксировать логические 0 или 1. Определенными схемными решениями
можно зарождать домены, передвигать их по кристаллу, считывать и
уничтожать (аннигилировать).
Основные составные части чипа типичного доменного ЗУ показаны на
рис.8.1 (поперечный разрез). Здесь 1 - постоянный магнит, создающий
магнитное поле Нсм , перпендикулярное плоскости чипа; 2 – подложка из не-
4
33
3
2
1 Нсм
Рис. 8.1. Поперечный разрез чипа доменного ЗУ.
магнитного материала со структурой, например, граната; 3 – пленка
магнитного, доменосодержащего материала; 4 - пермаллоевый слой,
служащий для продвижения доменов.
Под воздействием поля смещения Нсм домены в слое 2 приобретают вид
цилиндров, оси которых параллельны Нсм. Конструкция рис. 8.1 помещается
в катушку Гельмгольца, которая создает вращающееся магнитное поле с
осью, параллельной плоскости слоя 2. Это поле служит для перемещения
доменов. За один оборот вектора этого поля домены перемещаются на один
период пермаллоевых структур слоя 1. Тактовая частота поля вращения
может быть больше 500 кГц. Другой метод перемещения доменов основан на
том, что слой 4 содержит многочисленные отверстия, а через весь
пермаллоевый слой пропускаются импульсы тока. В такт этих им пульсов
происходит перемещение доменов от одного отверстия к другому. Здесь
тактовая частота может достигать нескольких МГц.
В настоящее время достигнута информационная емкость одного чипа свыше
50 МБ, а всего устройства до 1ГБ. Следует также отметить высокую
радиационную и вибрационную стойкость таких устройств, что делает их
незаменимыми в ряде технических применений. Однако высокая стоимость
ограничивает область их применения военным и специальным
оборудованием. Исследования в данной области продолжаются еще и в связи
с тем, что потенциальная удельная емкость при объемной записи может
достигать 10
14
Б/см
3
.
8.8. Флэш-память
Принцип действия этой памяти основан на использовании полевого
транзистора с изолированным затвором. С помощью туннельного эффекта на
затвор подается электрический заряд, который может находиться на затворе
практически неограниченное время. Наличие или отсутствие заряда на
затворе определяет проводимость полевого транзистора и тем самым
записанную в нем информацию. Флэш-память присутствует в двух
модификациях. В виде карт памяти и USB-накопителей. Применение карт
памяти в последнее время растет благодаря развитию цифрового фото, КПК
и мобильных телефонов. Для переноса информации с одного компьютера на
другой их применяют крайне редко из-за малого объема памяти и
необходимости специального адаптера.. Как и в случае с DVD-устройствами
существует несколько конкурирующих стандартов – Compact Flash, Secure
Digital, Memory Stick. В КПК и мобильных телефонах используются карты
34
памяти с объемом 64 и 128 Мб. Для цифровых фотоаппаратов такой объем
уже недостаточен и для них разрабатываются карты памяти объемом до 1 Гб.
Для переноса информации с компьютера на компьютер используются USB-
накопители. Для записи информации на эти накопители не требуется
специальное программное обеспечение, а операционная система распознает
их как съемный диск. Однако их применение требует установки драйверов
для операционной системы Windows 98 и ниже. В настоящее время USB-
накопители используются и в бытовых устройствах (МР3 –плеер, цифровой
магнитофон. Ожидается , что в ближайшее время USB-накопители начнут
вытеснять с рынка диски CD-RW.
9. УСТРОЙСТВА ВВОДА
35
9.1. Общие положения
Поскольку компьютер является системой для переработки
информации, эту перерабатываемую информацию в него нужно ввести. Этим
целям и служат устройства ввода информации. Среди таких устройств
необходимо выделить следующие, отличающиеся принципом действия и
конструктивными особенностями :
- монитор и клавиатура;
- магнитные устройства (ВЗУ, которые могут служить для ввода
информации);
- сканеры;
- манипуляторы;
- биометрические (в том числе акустические и голосовые) устройства.
9.2. Монитор
Монитором называют устройство, применяемое для контроля и
управления каким-либо процессом или системой. На экране монитора
отображается вводимая текстовая или графическая информация. По
физическим принципам формирования изображения мониторы бывают :
- на базе электронно-лучевых трубок;
- жидкокристаллические;
- плазменные;
- электролюминисцентные.
Основными техническими характеристиками мониторов являются
разрешающая способность, количество воспроизводимых цветов, размер
экрана, масса и габариты, потребляемая мощность.
Принцип работы мониторов на базе электронно-лучевой трубки
аналогичен работе бытового телевизора. В элктронно-лучевой трубке
формируются три луча (для цветной трубки), управляя перемещением и
интенсивностью которых можно получить изображение на люминоформном
экране.
Мониторы могут работать в двух режимах: текстовом и графическом. В
текстовом режиме экран монитора условно разбивается на отдельные
участки – знакоместа (25 строк по 80 символов) В каждое знакоместо может
быть введен один из 256 символов. – большие и малые латинские буквы,
большие и малые буквы кириллицы, цифры, специальные знаки и символы.
Для каждого знакоместа может быть определен цвет и фон.
Графический режим предназначен для вывода на экран графиков и
рисунков. В этом же режиме можно выводить и текстовую информацию,
однако, такой режим требует значительно большей памяти.
В настоящее время наиболее распространенными мониторами являются
VGA и SVGA, отличающиеся по разрешающей способности, стоимости,
цветопередаче, частоте смены кадров и т.д. Например, разрешение может
36
быть 1024х768 пикселов (точек) для экрана в 17”, а частота смены кадров –
75 или 100 Гц.
Принцип работы жидкокристаллических мониторов заключается в
возможности управлять поляризацией светового потока с помощью
жидкокристаллических материалов, помещенных в электрическое поле.
Имеется несколько вариантов использования этого явления. В наиболее
распространенных активных матрицах жидкокристаллический материал
располагается между двумя стеклянными пластиками, на которые нанесены
вертикальные и прозрачные горизонтальные проводящие полосы.
Управление свечением каждого пиксела, находящегося на пересечении этих
горизонтальных и вертикальных полос, осуществляется с помощью
тонкопленочного транзистора. Поскольку сами жидкие кристаллы не
излучают свет, то для получения изображения необходимо использовать или
искусственную подсветку или внешнее освещение. Основные преимущества
жидкокристаллических мониторов заключаются в отсутствии рентгеновского
излучения, малых габаритах (по толщине) и весе, уменьшенном потреблении
электроэнергии. Недостаток – высокая стоимость (в 2 –3 раза выше, чем
ЭЛТ-мониторов).
В плазменном мониторе электрический ток, пропускаемый через
плазменный дисплей, образует заряженную плазму, излучающую
ультрафиолетовый свет. Этот свет падает на заднюю стенку панели,
покрытую люминофором. Чередующиеся столбцы красного, зеленого и
голубого люминофоров излучают свет, направляемый к наблюдателю через
передний экран. Размер панели по диагонали может достигать даже
нескольких метров. Эти дисплеи отличаются легкостью конструкции,
прекрасной цветопередачей и яркостью, что делает их хорошим техническим
средством для презентаций, конференций и т.п. Недостаток заключается в
высокой стоимости и небольшом сроке службы (например, 20000 часов).
Электролюминесцентные мониторы находятся в настоящее время на
стадии разработок, хотя опытные образцы уже были представлены на ряде
международных форумах. В органических светодиодах OLED (Organic Light-
Emitting Diode) используются специальные углеродные молекулы,
излучающие свет различных цветов при прохождении через них
электрического разряда. OLED-панели потребляют относительно мало
энергии при низких напряжениях, технология их изготовления проста и
отличаются очень малой толщиной (их можно скручивать в трубки).
ЭЛТ- , плазменные и электролюминесцентные мониторы являются
активными, излучающими свет. Для их работы не нужен посторонний
источник света. ЖК-мониторы являются пассивными. Они работают только
при наличии внешнего источника света – отраженного или проходящего
сквозь прозрачные панели [ 8 ].
9.3. Клавиатура
37
Клавиатура – одно из основных устройств, с которым имеет дело
пользователь при активной работе с компьютером. Вид введенной в
компьютер информации определяется программой, интерпретирующей
нажатие клавиши. С помощью клавиатуры можно вводить любые символы,
цифры, буквы, знаки, иероглифы, музыкальные знаки и т.п. из библиотеки
программного обеспечения. Клавиатура позволяет управлять курсором,
“ прокручивать” экран, отправлять содержимое экрана на принтер или ВЗУ и
т.д.
В последнее время появились альтернативные клавиатуре устройства:
виртуальная клавиатура на экране монитора, речевой ввод, сканер.
Стандартная клавиатура имеет несколько групп клавишей:
1. Алфавитно-цифровые и знаковые (латинские и русские буквы, знаки
пунктуации, математические знаки) клавиши.
2. Специальные клавиши: Esc, Enter, Backspace.
3. Функциональные клавиши: F1, F2…F10.
4. Служебные для редактирования и перемещения курсора: Ins, Del,Up,
Down, Left, Right, Home, End.
5. Служебные для смены регистров и модификации кодов: Alt, Ctrl, Shift.
6. Для фиксации регистров: Lock.
7. Вспомагательные: Print Screen, Pause.
Количество клавиш в стандартном исполнении – 101 или 102. Клавиатура
содержит свой микропроцессор, работающий по программе, записанной в
ПЗУ.
9.4. Сканеры
Сканер это устройство, позволяющее вводить в компьютер плоское
(двумерное) изображение. Принцип работы его состоит в том, что
поверхность изображения освещается перемещающимся лучом света, а
светочувствительный прибор (фотодиод, фотоумножитель и т.п.)
воспринимает отраженный свет, интенсивность которого зависит от яркости
освещенного участка, и преобразовывает его в электрический сигнал.
Полученное изображение может быть сохранено в памяти компьютера,
обработано с помощью графического редактора и выведено на печать.
Для редактирования текста необходимо изображение текста преобразовать
в код, воспринимаемый редактором (например, Windows 1251).
Сканеры бывают портативные и настольные. Портативные сканеры при
перемещении их рукой по изображению кодируют его. Этот код затем может
быть передан компьютеру для редактирования. Поскольку размеры
портативных сканеров небольшие одно изображение приходится считывать
несколько раз. Программное обеспечение позволяет выполнять функцию
склейки отдельных участков изображения. Разрешающая способность
сканеров бывает 400 и более точек на дюйм. Основные их производители
38
фирмы HP, Mustek, Epson. Распознавание символов для последующего
редактирования и запоминания в компактной форме производится с
помощью отдельно поставляемого программного обеспечения [ 8 ].
9.5. Манипуляторы
Эти устройства служат для управления положением курсора на экране
монитора и управления некоторыми опрерациями. Наиболее
распространенными из них являются мышь, джойстик и трекбол.
Из перечисленных манипуляторов мышь находит в настоящее время
наибольшее применение в персональных компьютерах. Идея ее создания
была сформулирована сотрудником Стенфордской лаборатории (США)
Д.С.Энджельвортом еще в 1957 г., но в современном виде она была
реализована только в 70-х гг. Движение мыши по коврику передается
шарику, выполненному из плотной резины. Вращение шарика в свою очередь
передается двум валикам, расположенным перпендикулярно друг другу.
Вращение валиков регистрируется соответствующим перемещением курсора
на экране. Мышь соединена с системным блоком с помощью кабеля через
последовательный порт. Мышь долгое время оставалась практически
неизменяемой по параметрам и функциям, однако в последнее время
наметились существенные изменения. Появились беспроводные конструкции
мышей, связанные с системным блоком с помощью инфракрасного или
радио порта. На смену механическим мышам с вращаюшимся шариком
пришли оптические мыши, в которых их перемещение фиксируется с
помощью оптической системы по изменяющейся текстуре стола. А самые
последние конструкции мышей снабжены системой распознавания
отпечатков пальцев пользователя, что обеспечивает его идентификацию и
устраняет несанкционированный доступ к компьютеру.
Трекбол (trackball) является разновидностью мыши. Он выглядит как
перевернутая мышь, а движущаяся его часть – шарик – вращается рукой.
Трекболы чаще всего используются в переносных компьютерах – ноутбуках.
Джойстик используется как игровой манипулятор. С его помощью удобно
управлять ходом компьютерных игр. Внешне он выглядит как рукоятка с
кнопками на подставке [ 9 ].
9.5. Биометрические устройства
Биометрические устройства ввода служат для идентификации
пользователя и получения пользователем доступа к конкретному компьютеру
или вычислительной сети. По способу считывания биометрические
устройства подразделяются на контактные, дистанционные (бесконтактные)
и комбинированные.
Контактное считывание идентификационных признаков предполагает
непосредственное взаимодействие идентификатора (пользователя) и
39
считывателя – проведение идентификатора через считыватель или их простое
соприкосновение.
Дистанционный способ считывания не требует четкого позиционирования
идентификатора и считывателя. Для чтения данных нужно подвести на
определенное расстояние идентификатор к считывателю (оптический метод).
В биометрических устройствах идентификационными признаками
являются индивидуальные признаки человека (отпечатки пальцев, геометрия
ладони, рисунок сетчатки глаза, форма и термограмма лица, голос, подпись,
запах и т.д.). В комбинированных устройствах используются несколько
идентификационных признаков одновременно. Высокий уровень защиты в
биометрических устройствах определяется тем, что биометрия позволяет
идентифицировать именно конкретного человека, а не устройство. До
последнего времени использование биометрических устройств тормозилось
их высокой стоимостью. Успехи в технологиях, теории распознавания
образов и микроэлектронике позволили значительно снизить их стоимость и
расширить область применения.
Данное положение особенно характерно для дактилоскопических
устройств доступа. Отпечаток пальца считается одним из наиболее
устойчивых идентификационных признаков (не изменяется со временем, при
повреждении кожного покрова идентичный папиллярный узор полностью
восстанавливается, при сканировании не вызывает дискомфорта у
пользователя). В 2002 г. доля устройств дактилоскопического доступа
составляла свыше 52% мирового биометрического рынка.
Считыватели (сканеры) отпечатков пальцев представляют собой
подключаемые к одному из портов компьютера отдельные устройства либо
они встраиваются в компьютерные мыши (как это указывалось выше),
клавиатуры, корпуса мониторов. Наибольшее распространение получили все
же дактилоскопические мыши. В таких современных устройствах
вероятность ложного отказа составляет 10
-2
, а вероятность ложного доступа
— 10
-9
.
10. УСТРОЙСТВА ВЫВОДА
40