Акустические системы
Акустические системы (динамики или колонки) являются, вообще говоря, неотъемлемой частью звуковой карты, за исключением того случая, когда вы предпочитаете слушать музыку через головные телефоны (наушники). В настоящее время существуют две основные разновидности акустических систем: со встроенным выходным усилителем (так называемые активные системы) и без оного (пассивные системы). Если пассивные системы подключаются только к соответствующему выходу звуковой карты, то для активных необходим дополнительный источник энергии. В качестве такого источника может выступать либо батарея гальванических элементов, либо блок питания, который в свою очередь может быть как встраиваемым, так и внешним. Кроме регулировки громкости активные системы имеют обычно 3-полосный эквалайзер. Вместе с компьютером необходимо использовать только экранированные (shielded) колонки — они могут быть расположены непосредственно рядом с монитором и не приведут к постепенному размагничиванию ЭЛТ. Как мы уже отмечали, существуют не только мониторы со встроенными акустическими системами, но даже и клавиатуры. Разумеется, для получения высококачественного звучания стереосистемы должны быть внешними.
Асинхронные и синхронные компьютеры
Несмотря на всю потрясающую скорость, электронным схемам все-таки требуется некоторое время на выполнение своих операций. Как много — варьируется от типа к типу. По большому счету, можно сделать компьютер вообще без часов. Скорость работы такого компьютера будет полностью зависеть от скорости работы его частей: чем быстрее части, тем быстрее компьютер. Данные, запрошенные из памяти, будут использованы, как только они появятся там, где их ждут. Результаты вычислений будут отправлены обратно в память, как только они станут доступны. Очень быстрые части, уже выполнившие свою работу, не будут простаивать без дела, дожидаясь, пока стрелки на главных часах разрешат им двигаться дальше. Спроектировать и сделать такой асинхронный компьютер можно, но сложно. Гораздо легче спроектировать компьютер, все части которого работают синхронно с некоторыми главными часами. Если эти часы тикают достаточно медленно, то можно быть уверенным, что все части компьютера смогут закончить назначенные им задачи до поступления сигнала продвинуться еще на один шаг вперед — следующего такта часов. Синхронные компьютеры настолько легче в проектировании и производстве, что практически каждый компьютер являет собой пример подобного подхода.
Базовые топологии
Все сети строятся на основе трех базовых топологий, известных как:
• шина (bus);
• звезда (star);
• кольцо (ring).
Если компьютеры подключены вдоль одного кабеля [сегмента (segment)], топология называется «шиной». В том случае, когда компьютеры подключены к сегментам кабеля, исходящим из одной точки [концентратора (hub)], топология называется «звездой». Если кабель, к которому подключены компьютеры, замкнут в кольцо, такая топология носит название «кольца».
Сами по себе базовые топологии несложны, однако на практике часто встречаются довольно сложные комбинации, сочетающие свойства и характеристики нескольких топологий.
Беспроводная среда передачи данных
Словосочетание «беспроводная среда» может ввести в заблуждение, поскольку означает полное отсутствие проводов в сети. В большинстве случаев это не совсем так. Обычно беспроводные компоненты взаимодействуют с сетью, в которой в качестве среды передачи используется кабель. Такая сеть со смешанными компонентами называется гибридной.
Возможности
Идея беспроводной среды весьма привлекательна, так как ее компоненты:
• обеспечивают временное подключение к кабельной сети;
• помогают организовать резервное копирование в кабельную сеть;
• гарантируют определенный уровень мобильности;
• позволяют снять ограничения на максимальную протяженность сети, накладываемые медными или даже оптоволоконными кабелями.
Применение
Трудность монтажа кабеля — фактор, который дает беспроводной среде неоспоримое преимущество. Беспроводная среда может оказаться особенно полезной в следующих ситуациях:
• в помещениях с большим скоплением народа (например, в приемной);
• для людей, у которых нет постоянного рабочего места (например, для врачей или медсестер);
• b изолированных помещениях и зданиях;
• в помещениях, где планировка часто меняется;
• в строениях (например, памятниках истории или архитектуры), где прокладывать кабель запрещено.
BIOS и CMOS RAM
Базовая система ввода-вывода BIOS (Basic Input Output System) называется так потому, что включает в себя обширный набор программ ввода-вывода, благодаря которым операционная система и прикладные программы могут взаимодействовать с различными устройствами как самого компьютера, так и подключенными к нему. Вообще говоря, в архитектуре IBM PC-совместимого компьютера система BIOS занимает особое место. С одной стороны, ее можно рассматривать как составную часть аппаратных средств, с другой — она является как бы одним из программных модулей операционной системы. Сам термин "BIOS", видимо, заимствован из операционной системы СР/М, в которой модуль с подобным названием был реализован программно и выполнял аналогичные действия.
Большинство современных видеоадаптеров, а также контроллеры накопителей имеют собственную систему BIOS, которая обычно дополняет системную. Во многих случаях программы, входящие в конкретную BIOS, заменяют соответствующие программные модули основной BIOS. Вызов программ BIOS, как правило, осуществляется через программные или аппаратные прерывания.
Система BIOS, помимо программ взаимодействия с аппаратными средствами на физическом уровне содержит программу тестирования при включении питания компьютера POST (Power-On-Self-Test) и программу начального загрузчика. Последняя программа необходима для загрузки операционной системы с соответствующего накопителя.
Система BIOS в IBM PC-совместимых компьютерах реализована в виде одной или двух микросхем, установленных на системной плате компьютера. Название "ROM BIOS" в настоящее время не совсем справедливо, ибо "ROM" предполагает использование постоянных запоминающих устройств (ROM — Read Only Memory), а для хранения кодов BIOS применяются в основном перепрограммируемые (стираемые электрически или с помощью ультрафиолетового излучения) запоминающие устройства, например ППЗУ ЭС (Electrically Erasable Programmable ROM, EEPROM). Мало того, наиболее перспективной для хранения системы BIOS является сейчас флэш-память.
Поскольку содержимое ROM BIOS фирмы IBM было защищено авторским правом (то есть его нельзя подвергать копированию), то большинство других производителей компьютеров вынуждены были использовать микросхемы BIOS независимых фирм, разумеется, практически полностью совместимые с оригиналом. Наиболее известны из этих фирм три: American Megatrends Inc. (AMI), Award Software и Phoenix Technologies. Заметим, что конкретные версии BIOS неразрывно связаны с набором микросхем (chipset), размещенных на системной плате.
Система BIOS в компьютерах, основанных на микропроцессорах i80286 и выше, неразрывно связана с аббревиатурой CMOS RAM. Под этим понимается "неизменяемая" память, в которой хранится информация о текущих показаниях часов, значении времени для будильника, конфигурации компьютера: количестве памяти, типах накопителей и т.д. Именно в такой информации нуждаются программные модули системы BIOS. Своим названием CMOS RAM обязана тому, что выполнена на основе КМОП-структур (CMOS — Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), которые, как известно, отличаются малым энергопотреблением. Поскольку в данной микросхеме реализованы также часы реального времени RTC (Real Time Clock), то ее обычно называют RTC CMOS RAM. В современных компьютерах функции этой микросхемы включены в одну из вспомогательных (микросхем, например периферийного контроллера. CMOS-память энергонезависима только постольку, поскольку постоянно подпитывается, например, от аккумулятора, расположенного на системной плате, или батареи гальванических элементов, как правило, смонтированной на корпусе системного блока. Заметим, что большинство системных плат допускают питание CMOS RAM как от встроенного, так и от внешнего источников.
В системе BIOS имеется программа, называемая Setup, которая может изменять содержимое CMOS-памяти. Вызывается эта программа определенной комбинацией клавиш, которая обычно высвечивается на экране монитора после включения питания компьютера. Некоторые из данных комбинаций для различных фирм-производителей приведены в таблице 1.
Заметим, что войти в программу Setup можно либо после успешной загрузки компьютера (нажав соответствующую комбинацию клавиш), либо после возникновения ошибки (клавиши F1 или F2). Во время загрузки компьютера запустить программу Setup можно, например, для системы BIOS фирмы AMI, нажав клавишу DEL.
Таблица 1 Комбинации клавиш для входа в BIOS различных фирм
|
Фирма-изготовитель |
Комбинация клавиш |
Примечание |
|
Phoenix Technologies |
CTL-ALT-S |
или F2 после ошибки |
|
American Megatrends |
DEL |
в течение загрузки |
|
Award Software |
CTL-ALT-ESC |
— |
|
Chips&Technologies |
CTL-ALT-S |
или F2 после ошибки |
|
Zenith |
CTL-ALT-INS |
— |
|
Quadtel |
CTL-ALT-S |
или F2 после ошибки |
Расширенные установки Advanced CMOS Setup или Advanced ChipSet Setup включают в себя дополнительные возможности конфигурирования системной платы, которые во многом зависят от используемого набора вспомогательных микросхем. Наиболее общими являются обычно такие возможности, как допустимая скорость ввода символов с клавиатуры (по умолчанию 15 символов в секунду), тестирование памяти выше границы 1 Мбайт, разрешение использования арифметического сопроцессора, приоритет или последовательность загрузки (то есть попытка загрузки компьютера сначала с накопителя со сменным, а затем несменным носителем, или наоборот), установка определенной тактовой частоты микропроцессора при включении, разрешение парольной защиты, запрет контроля четности памяти и т.д. Кроме того, возможна установка тактовой частоты системной шины, а также числа тактов ожидания (или временной задержки) для микропроцессора при обращении к устройствам ввода-вывода, оперативной и/или кэш-памяти.
Заметим, что в случае повреждения микросхемы CMOS RAM (или разряде батареи/аккумулятора) программа Setup имеет возможность воспользоваться некой информацией по умолчанию (BIOS Setup Default Values), которая хранится в таблице соответствующей микросхемы ROM BIOS.Кстати, на некоторых материнских платах питание микросхемы CMOS RAM может осуществляться как от внутреннего, так и от внешнего источников. Выбор определяется установкой соответствующей перемычки.
Обычно программа Setup поддерживает также установки, связанные с шиной PCI и автоматической конфигурацией системы Plug and Play.
Задание полной конфигурации компьютера осуществляется не только установками из программы Setup, но и замыканием (или размыканием) соответствующих перемычек на системной плате. Назначение каждой из них указано в соответствующей документации. Они определяют тип процессора, наличие внешнего сопроцессора, тактовую частоту, размер внешней кэш-памяти, разрешения локальной шины. Причем подобные перемычки могут использоваться даже на системных платах с автоматической конфигурацией, например для выбора внешней тактовой частоты процессора, значения коэффициента умножения частоты, напряжения питания процессора и т.д.
Часы внутри CPU
Самые знаменитые часы - это часы, тикающие внутри CPU. Это те самые 266 МГц (или 300 МГц, или 1800 МГц, или те, что стоят внутри вашего PC), о которых вы столь много слышите. От них зависит, насколько быстро работают самые быстрые части вашего PC. На сегодня лишь некоторые схемы CPU работают с этой скоростью, остальные части PC даже близко к ней не приближаются, исключая процессор Pentium Pro, кэш L2 которого, расположенный внутри модуля СРU также работает с этой скоростью. В Pentium II кэш L2 работает на половине частоты часов CPU. Во всех остальных процессорах х86 внешний кэш работает с такой же скоростью, как шина памяти.
Шина от CPU к основной памяти работает со скоростью, в несколько раз меньшей скорости часов внутри CPU. Или, иными словами, CPU работает со скоростью, в несколько раз превышающей скорость внешней шины. Микросхема часов, контролирующая эту скорость, расположена вне CPU, и CPU просто синхронизирует свои не слишком точные часы по сигналу внешних часов.
Стандартная линейка частот тактовых генераторов: 50, 60, 66, 100, 133 МГц.
Те же часы, что управляют CPU, также управляют модулями основной памяти и сопутствующими им микросхемами. Часто только внешняя (L2 или L3) память реально способна успевать за этими быстрыми часами. Быстрые микросхемы DRAM можно заставить работать медленнее, вставив одно или несколько состояний ожидания (wait states). Это паузы между интервалом, в течение которого CPU или внешний кэш-контроллер спрашивает что-либо у микросхемы памяти, и интервалом, в течение которого они ожидают получения ответа на свой запрос.
Многие подсистемы PC должны работать синхронно с часами, идущими с другой частотой. Например, частота перемещения электронного луча вдоль и вниз по сетке монитора в процессе развертки изображения устанавливается Пользователем (в пределах возможного, конечно). Жестким дискам нужны часы с частотой, в определенное количество раз превышающей частоту вращения их магнитных пластин. Модему тоже нужны часы — чтобы передавать и принимать данные согласно скорости соединения. Вообще, сколько различных устройств со своими возможностями и запросами (и микропроцессорами), столько и часов внутри PC. (Никакое устройство не может работать быстрее, чем позволяют его возможности, и в некоторых случаях скорость работы устройства должна поддерживаться на некотором стандартном для этого устройства, уровне, не быстрее и не медленнее.)
Что означает термин "сверхмасштабный"
Рассуждая о том, насколько компьютеры каждого нового поколения быстрее своих предшественников, производители часто упоминают о сверхмасштабной (superscalar) производительности. Что же означает это загадочное слово?
Грубо говоря, это означает, что если частоты часов старого и нового PC одинаковы, то новый PC все равно будет работать быстрее старого. Если частота часов нового PC в два раза больше, то новый PC будет работать более чем в два раза быстрее старого. То есть, производительность растет не пропорционально частоте, а быстрее, отсюда и приставка "сверх".
Причин у сверхмасштабностй несколько. Обычно она достигается усовершенствованием внутренней структуры процессора, а именно, встраиванием дополнительных исполняющих модулей, увеличением размера конвейера инструкций, улучшением кэша L1 и. т. д. Другая причина сверхмасштабной производительности — это умение процессора "мыслить" на несколько ходов вперед, т. е. умение специально выполнять инструкции, очередь которых еще не настала, в надежде на то, что они понадобятся в дальнейшем. Если в дальнейшем дело действительно доходит до этих инструкций; то процессор пролетает их на повышенной скорости, не теряя времени на их выполнение. Есть еще один способ повысить производительность, не трогая частоту — поставить на материнскую плату дополнительный процессор.
Независимо от причин, термин "сверхмасштабный" (иногда используют не вполне удачную кальку суперскалярный) обозначает компьютер, работающий быстрее, чем можно было подумать. Это конечно здорово, но нет здесь той запутанности, мистичности (или техничности), которых можно было ожидать от расшифровки столь загадочно звучащего термина.
Цветная печать
На сегодняшний день для цветной печати используются все описанные выше технологии плюс еще две: принтеры с термосублимацией красителя (dye sublimation) и с изменением фазы красителя (phase-change ink-jet), но о них мы поговорим чуть позже. Теперь же коротко остановимся на технологии цветопередачи для печатающих устройств.
Напомним, что при использовании RGB-модели цветообразования — Red (красный), Green (зеленый) и Blue (синий) — указанные цвета называются первичными, поскольку путем сложения соответствующего их количества можно получить любой другой цвет вплоть до белого. RGB-модель цветообразования применяется во всех мониторах персональных компьютеров и называется также аддитивной (addition — сложение). Кстати отметим, что черный цвет для монитора, вообще говоря, не чернее поверхности его экрана в выключенном состоянии.
Печатающие устройства работают с другими первичными цветами и используют соответственно иную модель цветообразования — так называемую субтрактивную (subtraction — вычитание). Первичными цветами для цветных принтеров являются зелено-голубой (Cyan), светло-пурпурный (Magenta) и желтый (Yellow). Наложение двух из этих первичных цветов в данном случае дает красный, зеленый или голубой цвет, а смешение всех трех первичных цветов субтрактивной модели — черный цвет. В некоторых принтерах для получения истинно черного цвета используется отдельный черный краситель (blасk), поэтому данная модель цветообразования называется также CMY или CMYK.
Поясним, почему собственно различаются модели цветообразования для мониторов и принтеров. Напомним, что наши глаза являются сложной оптической системой, которая воспринимает излучаемый или уже) отраженный от освещаемых предметов свет, разумеется, если они сами его не излучают. Цвет, как известно, определяется длиной волны электромагнитного излучения, определенный частотный спектр которого и представляет для нас видимый свет. Теперь нетрудно понять, что нанесенные на экран точки люминофора воспринимаются именно того цвета, какой они и излучают. Краситель же, нанесенный на бумагу, напротив, действует как фильтр, поглощая (вычитая) одни и отражая другие длины электромагнитных волн. Напомним также, что насыщенность цвета (розовый, красный, пурпурный) зависит от количества белого цвета. Таким образом, промежуточные цвета при выводе изображения, например розовый, получаются, как правило, путем пропуска (не печати) нескольких точек. Собственно, это обычный подход, связанный с растрированием изображения (dithering), то есть оттенки соответствующего цвета получаются путем группировки нескольких точек изображения в псевдопикселы размером 2x2, 3x3 и более точек. Отношение количества цветных точек к белым и определяет уровень насыщенности цвета.
Доступ абонентских систем к моноканалу
Эффективность взаимодействия абонентских систем в рамках локальной компьютерной сети во многом определяется используемым правилом доступа к общей передающей среде в сетях с шинной и кольцевой топологией или концентратору в древовидных и звездообразных сетях. Правило, с помощью которого организуется, доступ абонентских систем к передающей среде, получило название метода-доступа. В, качестве критерия эффективности метода доступа, чаще всего рассматривается время доступа к передающей среде, представляющее собой промежуток времени между появлением запроса на передачу данных и собственно началом передачи информации. Значение этого параметра зависит от ряда факторов, в том числе от топологии сети, используемого метода доступа, способа управления сетью и др. В силу большого разнообразия локальных сетей и требований к ним нельзя назвать какой-либо универсальный метод доступа, эффективный во всех случаях. Каждый из известных методов доступа имеет свои определенные преимущества и недостатки. Кратко рассмотрим наиболее распространенные методы доступа.
Как и для всей сети в целом, управление доступом может быть как централизованным, так и децентрализованным. Централизованное управление доступом, как правило, осуществляется специальной управляющей (мониторной или супервизорной) станцией, подключаемой к передающей среде так же, как и любая другая абонентская система. При децентрализованном управлении каждая станция сама принимает решение о возможности доступа к передающей среде.
В зависимости от используемого метода доступа локальные сети делятся на две группы. К первой группе относятся сети с методами детерминированного доступа, ко второй — с методами случайного доступа. Метод детерминированного доступа предполагает наличие определенного алгоритма, на основании которого абонентским системам предоставляется доступ к передающей среде. Например, при централизованном управлении мониторная подсистема может последовательно опрашивать каждую из абонентских систем и предоставлять право передачи информации первой желающей абонентской системе.
После этого будет опрашиваться следующая абонентская система и так далее. Алгоритм предоставления права передачи информации может быть достаточно гибким и учитывать приоритеты запросов на передачу и их интенсивность. Для нормального функционирования сети необходимо, чтобы она не находилась в режиме насыщения, т. е. нагрузка на сеть не должна превышать ее пропускную способность. В этом случае можно определить минимальное и максимальное значения времени ожидания момента начала передачи информации. Минимальное время ожидания связано с необходимостью опроса абонентских систем на предмет передачи информации. Влияние этой процедуры наиболее ощутимо при низкой интенсивности передачи информации, так как время на опрос затрачивается даже при отсутствии заявок на передачу информации со стороны других абонентских систем. При увеличении интенсивности информационного потока снижается отношение времени опроса ко всему времени передачи информации. Максимальное значение времени ожидания является фиксированной величиной, определяемой при полной загрузке сети, т.е. когда каждая абонентская система готова передавать информацию. При этом предполагается, что следующий запрос на передачу информации в данной абонентской системе появляется после обслуживания очередного запроса. Возможность установления гарантированного времени доступа является достаточно существенным фактором при работе в режиме реального времени. В общем случае методы детерминированного доступа позволяют учитывать особенности топологии сети и характер передаваемой информации, обеспечивая наиболее эффективное использование передающей среды.
Ко второй группе относятся методы случайного доступа, при которых каждая абонентская система произвольным образом, независимо от других систем, может обращаться к моноканалу. При методе случайного доступа возможно одновременное обращение нескольких абонентских систем к общей передающей среде, поэтому данный метод доступа часто называют методом множественного доступа. Математически локальная сеть с множественным доступом может быть представлена (рис. 47) в виде с n входными потоками и одним обслуживающим устройством.
Количество входных потоков соответствует числу абонентских систем. Интенсивность (Xj) i-го входного потока определяется интенсивностью потока заявок на передачу информации со стороны. i-й абонентской системы. Обслуживающее устройство в данном случае представляет собой передающую среду. Время обслуживания заявки соответствует времени передачи блока данных и равно отношению длины блока данных, измеренной в битах, к скорости передачи информации по передающей среде.
 |
|||
 |
|||
Соответственно, интенсивность обслуживания (µ) является величиной обратной времени обслуживания. Длина входной очереди и время ожидания обслуживания заявок изменяются по экспоненциальному закону, резко возрастая при увеличении интенсивности входного потока.
Сравнивая эти две группы методов доступа можно отметить следующее. Методы случайного доступа проще в реализации, так как не требуют передачи специальной управляющей информации. Они более эффективны при обмене короткими сообщениями и низкой загрузке моноканала. В этом случае доступ к передающей среде осуществляется практически без дополнительных задержек. Методы детерминированного доступа более предпочтительны при обмене длинными сообщениями и повышений уровня загрузки моноканала. Они позволяют также, при необходимости, организовать приоритетную передачу сообщений.
В процессе работы сети информация от передающей абонентской системы поступает на адаптеры всех абонентских систем, однако воспринимается только адаптером той абонентской системы, которой она адресована. Использование абонентскими системами общей передающей среды предполагает решения задачи организации поочередного доступа к ней. Правило, с помощью которого организуется бесконфликтный доступ абонентских систем к передающей среде, получило название метода доcтупа.
Другие вспомогательные микросхемы
К вспомогательным микросхемам в первую очередь можно отнести таймеры (реализованные раньше на микросхеме i8254) и часы реального времени (МС146818А). В зависимости от типа процессора на системной плате могут располагаться контроллеры шины и памяти, системный и периферийный контроллеры, кэш-Контроллер, а также буфера для данных и адресов.
Джойстики
Как известно, английское слово joystick состоит из двух слов: joy (радость) и stick (палка). Вообще говоря, джойстик является аналоговым координатным устройством ввода информации. Впрочем, первые модели джойстиков были, можно сказать, "цифровые". Дело в том, что они были основаны на нескольких микропереключателях. При перемещении рукоятки джойстика в зависимости от направления замыкался тот или иной переключатель. Практически любую современную модель джойстика технически можно представить как два реостатных датчика, для питания которых используется напряжение +5 В. Рукоятка джойстика связана с двумя переменными резисторами, изменяющими свое сопротивление при ее перемещении. Один резистор определяет перемещение по координате X, а другой — по Y. В задачу адаптера джойстика входит преобразование изменения параметра сопротивления в соответствующий цифровой код. Разумеется, что разнообразие дизайна джойстиков практически не влияет на их внутреннее устройство.
Факс-модемы
Заметим, что сама идея передачи изображений по линиям проводной связи ненова и впервые была предложена еще в 1842 году, а первая работающая факсимильная машина появилась на свет спустя 12 лет. Правда, затем эта идея была забыта почти на столетие.
Система, должна обеспечивать сканирование документа на передающей стороне, преобразование информации в форму, пригодную для передачи по имеющемуся каналу связи, и формирование на бумажном носителе на приемной стороне дубликата — факсимиле — исходного документа. Системы телефакса наиболее быстро распространились в Японии, поскольку именно там большинство передаваемых сообщений пишутся от руки. Кроме того, распространению телефакса способствовало и то обстоятельство, что документы, традиционно отправляемые через службу доставки, могли теперь быть отправлены или получены практически моментально. Стоимость доставки в этом случае приблизительно равняется стоимости телефонного звонка.
Факсимильные машины стали популярны во второй половине 60-х годов, когда МККТТ принял набор стандартов для телефаксов, названных Group 1 и Group 2 (или Gl, G2). Однако телефаксы, отвечающие требованиям G1 или G2, были исключительно аналоговыми и страдали неточностью передачи информации. Существенный скачок в развитии факсимильной связи произошел в 1980 году, когда ССITТ ввел стандарт Group 3 (G3), который определял методы цифрового сканирования и сжатия информации. Иными словами, избыточность информации в сигнале снижалась еще до ее передачи (модуляции). В отличие от первых аналоговых телефаксов, работающих со скоростью 300 бит/с, аппарат, отвечающий стандарту G3, передает информацию со скоростью 9600 бит/с, что позволяет отправлять страницу документа менее чем за минуту (обычно за 15—20 секунд). Сам процесс модуляции-демодуляции сигнала определяется стандартом V.29.
Эффективные методы сжатия позволяют в некоторых случаях сократить количество, передаваемой информации на 70—80%.
Физическое окружение вычислительной техники
К сожалению, при эксплуатации вычислительной техники, ее физическому окружению уделяется, как правило, мало внимания. Тем не менее, исследования доказали, что подавляющее большинство поломок или сбоев в работе вычислительных систем происходит именно из-за проблем, возникающих в ее физическом окружении.
Классифицировать их можно следующим образом:
1. климатические (окружающая среда)
2. проблемы электропитания
3. электромагнитные
4. электростатические
Рассмотрим каждый из пунктов более подробно.
Флоппи-диски
До настоящего времени приводами для флоппи-дисков оснащается большинство PC-совместимых компьютеров. Они используются как для архивирования и хранения небольших объемов информации, так и для ее переноса с одного компьютера на другой.
История гибкого магнитного (флоппи) диска началась с того момента, когда магнитный слой нанесли на тонкую майларовую основу, подобную той, что используется в магнитной ленте. Чтобы не поцарапать и не испачкать поверхность носителя, диск поместили в достаточно жесткий пластиковый конверт, внутри которого он мог свободно вращаться. Первые флоппи-диски имели диаметр 8 дюймов (около 200 мм) и использовались на больших и мини-компьютерах.
Уже на первых IBM PC использовались приводы для дисков диаметром 5,25 дюйма (133 мм), которые впервые появились в 1976 году. Первоначально на одном таком диске можно было записать всего 160 Кбайт информации, причем магнитный слой был нанесен только с одной стороны основы носителя. После того как магнитный слой стали наносить на пластиковую основу с обеих сторон, емкость носителя удвоилась. Соответственно привод стал использовать уже две головки. По мере развития технологии стала увеличиваться плотность записи, появились дискеты емкостью 360 Кбайт, а затем и1,2 Мбайта.
Следующим этапом стали дискеты диаметром 3,5 дюйма (89.мм). Емкость этих "малюток" сначала составляла 720 Кбайт, но вскоре достигла величины 1,44 Мбайта. При такой плотности записи защита магнитного слоя становится особенно актуальной, поэтому сам магнитный диск был спрятан в прочный пластмассовый корпус, а зона контакта головок с его поверхностью закрыта от случайных прикосновений специальной шторкой, которая отодвигается только внутри накопителя. Вообще говоря, первый 3,5-дюймовый привод и (соответствующий микрофлоппи-диск (micro floppy disk) были разработаны в 1980 году фирмой Sony. Несколько позже эта система была принята в качестве стандарта такими организациями, как ISO и ANSI. Кстати, фирма IBM приняла решение использовать 3,5-дюймовые приводы в компьютерах серии PS/2 только в 1987 году.
Привод флоппи-диска ( или просто дискеты) во многом похож на привод жесткого, диска. Здесь также имеется два двигателя: один обеспечивает стабильную скорость вращения вставленной в накопитель дискеты, а второй перемещает головки записи-чтения. Скорость вращения первого двигателя зависит от типа дискеты и составляет от 300 до 360 об/мин. Двигатель для перемещения головок в этих приводах всегда шаговый. С его помощью головки перемещаются по радиусу от края диска к его центру дискретными интервалами. В отличие от привода винчестера головки в данном устройстве не "летят" над поверхностью флоппи-диска, а касаются ее.
Работой всех узлов привода управляет соответствующий контроллер. Он включает и выключает двигатель вращения диска, задерживает его выключение на несколько секунд для ускорения доступа к данным в случае повторного обращения. Контроллер по индексной метке находит нужную дорожку и устанавливает на нее головку записи-чтения, а также проверяет, закрыт или заклеен вырез в пластиковом конверте диска, запрещая в положительном случае операцию записи.
Стандартным интерфейсом для всех приводов в IBM PC-совместимых компьютерах является SA-400 (Shugart Associates), который был разработан еще в начале 70-х годов. Контроллер соединен с накопителями посредством 34-контактного кабеля. К одному контроллеру обычно подключается два привода, но вообще-то данный интерфейс позволяет подключать до четырех приводов. Большинство приводов с форм-фактором 3,5 дюйма используют так называемое распределенное согласование. Делается это следующим образом. Общее согласующее сопротивление должно находиться в пределах от 100 до 300 Ом. На контроллере и накопителе с форм-фактором 5,25 дюйма установлены согласующие резисторы номиналом 330 Ом, а на 3,5-дюймовом приводе — 1500 Ом. Поскольку согласующие резисторы приводов и контроллера включены параллельно, то общее сопротивление определяется по формуле
1/R =1/R1+1/R2+1/R3 и т.д.
Итак, IBM PC-совместимые компьютеры оперируют данными, записанными на дискетах размерами 5,25 и/или 3,5 дюйма.
Вообще говоря, в современных компьютерах накопители для 5,25-дюймовых дискет уже не устанавливаются. Разумеется, для каждого из типоразмеров дискет существуют специальные приводы соответствующего форм-фактора. Информация на дискеты записывается с двойной плотностью записи методом модифицированной частотной модуляции (MFM).
Некоторая информация о носителях, используемых в IBM PC-совместимых компьютерах, приведена в таблице 3.
Таблица 3. Параметры дисководов для флоппи-дисков
|
Параметры |
Дисководы |
|||
|
5,25 дюйма |
3,5 дюйма |
|||
|
DS/DD |
DS/HD |
DS/DD |
DS/HD |
|
|
Число дорожек |
40 |
80 |
80 |
80 |
|
Количество секторов на одну дорожку |
9 |
15 |
9 |
18 |
|
Число сторон |
2 |
2 |
2 |
2 |
|
Плотность записи: tpi bpi |
48/96 5500 |
96/1 00 9800 |
135 8700 |
135 17500 |
|
Емкость, Кбайт |
360 |
1200 |
720 |
1440 |
|
Дескриптор носителя |
FDh |
F9h |
F9h |
FOh |
Фрейм-грабберы
Эти устройства объединяют графические, аналого-цифровые и микросхемы для обработки видеосигнала, которые позволяют дискретизировать видеосигнал, сохранять отдельные кадры изображения в собственной памяти (буфере) с последующей записью на диск либо выводить их непосредственно в окно на мониторе компьютера.
Содержимое буфера видеокарты обновляется каждые 40 мс, то есть с частотой смены кадров. Причем вывод видеоинформации происходит в режиме наложения (overlay). Для реализации окна на экране монитора с "живым" видео карта фрейм-граббера соединяется с графическим адаптером через так называемый 26-контактный feature - коннектор, который находится, как правило, в верхней части платы адаптера (см. рис 19).
В том случае, когда на жесткий диск необходимо записать не один полный кадр, а их последовательность в течение нескольких десятков секунд, обычные фрейм-грабберы, по понятным причинам, уже не годятся. В данном случае требуются специальные карты для захвата (или вывода) видеопоследовательностей.
Графические и мультимедиа-акселераторы
Вообще говоря, для повышения производительности по графическим операциям существуют довольно веские причины. Допустим, при работе в Windows 256 цветов (то есть 8 бит на пиксел) отображаются при разрешающей способности 1280 на 1024 точки. Это значит, что 1,3 Мбайта данных передаются из видеопамяти на экран 72 раза в секунду. Таким образом, необходимо обеспечить скорость передачи не менее 92 Мбайт/с. И это только для пересылки статического изображения. Любые другие операции потребуют дополнительного увеличения скорости. я доступа конкретных микросхем видеопамяти, но и, например, изменив способ ее организации и/или увеличив разрядность шины память-контроллер. Впервые фирма Tseng Labs использовала "чередующуюся" (intereaving) память на обычных DRAM. Вся видеопамять была разбита на два блока по четным и нечетным адресам. Это позволяло посылать из одного блока данные на экран, а во второй блок записывать данные с системной (локальной) шины. Скорость передачи удалось увеличить до 160 Мбайт/с.
Вообще говоря, внутренняя структура микросхем видеоконтроллеров отличается весьма значительно. Впрочем, можно выделить ряд общих задач, которые выполняет каждая из них: связь с основным процессором, коммуникация с видеопамятью и пересылка изображения на экран. Для реализации дополнительных (ускоряющих) функций в каждой микросхеме имеются, разумеется, специальные блоки. Например, тот же графический контроллер MGA фирмы Matrox имеет встроенные функции для трехмерной графики. Большинство современных микросхем акселераторов поддерживают функции энергосбережения.
Жесткие требования, предъявляемые сегодня к видеоподсистеме персонального компьютера, особенно заметны именно для систем, в той или иной степени связанных с мультимедиа. Под мультимедиа-акселераторами понимают устройства, которые помимо ускорения обычных графических операций (перенос блока данных BitBlt, закраска прямоугольников, поддержка аппаратного курсора) могут также выполнять ряд операций по обработке видеоданных.
Иными словами, под мультимедиа-акселераторами понимают совокупность программно- аппаратных средств, которые объединяют базовые возможности графических акселераторов с одной или несколькими мультимедиа-функциями, требующими установки в компьютер дополнительных устройств. Так, к мультимедиа-функциям относятся, например, следующие:
- цифровые фильтрация и масштабирование видео,
- аппаратные цифровые компрессия и декомпрессия видео,
- ускорение графических операций, связанных с трехмерной (3D) графикой,
- поддержка "живого" видео на мониторе,
- наличие композитного видеовыхода,
- вывод TV-сигнала на монитор.
Появление спецификации DCI (Display Control Inreface) фирмы Microsoft позволило осуществить воспроизведение полноскоростного цифрового видео с использованием ресурсов мультимедиа-акселераторов. Вообще говоря, DCI — это интерфейс нижнего уровня, который дает возможность программным средствам для воспроизведения видео воспользоваться имеющимися возможностями аппаратных средств. Так, если DCI-драйвер обнаружил наличие аппаратной поддержки некоторых мультимедиа-функций, он изменяет последовательность выполнения операций и разгружает центральный процессор от выполнения некоторых из них.
Надо сказать, что сейчас большинство фирм, выпускающих микросхемы графических акселераторов, включили в свою производственную программу изделия, выполняющие ряд мультимедиа-функций. В частности, сигнал изображения может преобразовываться из пространства RGB в пространство YUV, над ним могут выполняться такие операции, как сжатие, билинейное масштабирование, линейная интерполяция, фильтрация и растрирование (dithering). Кроме того, часто имеются встроенные схемы genlock, позволяющие синхронизировать преобразованный компьютерный сигнал RAMDAC по внешнему (NTSC/PAL) видеосигналу. На кристаллах также интегрируют схемы управления разделяемым фрейм Jбуфером. Для наложения графики и видео используют схемы управления типа "хромакей" (chromakey). Многие микросхемы ускоряют алгоритмы декомпрессии стандартных видеокодеков, включая, например, Indeo, Cinepak и MPEG-4.
Из наиболее общих технологических тенденций, доминирующих на рынке мультимедиа-акселераторов, кроме уже перечисленных можно отметить следующие: использование 32- и 64-разрядных микросхем-контроллеров с чередованием блоков памяти, увеличение объема видеопамяти и повышение частоты обновления изображения, внедрение новых стандартов мониторов DPMS и DDC, поддержка воспроизведения цифрового видео, отсутствие единого стандарта на видеошину, ускорение трехмерных (3D) графических операций недорогими средствами.
Несомненно революционным стало появление так называемых 3D (трехмерных) мультимедиа-акселераторов. Подобные платы адаптеров в конце 1995 года стала выпускать фирма Diamond Multimedia Systems, лидирующая на рынке плат графических акселераторов. Данные устройства базируются на технологии, предложенной компанией Nvidia. В частности, это позволяет пользователям при работе с Windows 95 получать фотореалистичное трехмерное изображение, быструю двухмерную графику, "живое" видео и табличный волновой синтез звука. ЗD-акселераторы, в частности, позволяют достигать разрешения 1024 на 768 точек и более, при одновременном воспроизведении 65 тысяч цветов, но, самое главное, получаемое при этом изображение полностью соответствует по скорости реальному действию. В недавнем прошлом такая технология обходилась не менее чем в 2 тысячи долларов, а вот стоимость карт сейчас варьируется в пределах двух сотен долларов.
Игровой порт
Игровой (game) порт, или адаптер, как правило, расположен либо на звуковой, либо на многофункциональной плате ввода-вывода (Multi I/O Card). Основным элементом игрового адаптера является аналого-цифровой преобразователь, который позволяет подключать к компьютеру определенные аналоговые устройства, например джойстик. Этот адаптер принимает до четырех цифровых входов типа "включено-выключено" (Например, для нажатия кнопок) и до четырех аналоговых входов (изменение параметров).
Одной из особенностей разъема на game-адаптере является то, что к нему в отличие, например, от разъемов последовательного или параллельного порта могут подключаться два джойстика одновременно. Такое соединение выполняется обычно посредством так называемого Y-кабеля. Для тех, кто увлекается компьютерными играми, нет нужды объяснять необходимость наличия именно двух джойстиков. В адресном пространстве портов для игрового адаптера зарезервировано поле адресов от 200h до 207h. На самом деле для этого адаптера достаточно только одного адреса. Для PC/XT это, как правило, 200h, а для PC/AT — 20In.
Инфракрасные беспроводные сети
Все инфракрасные беспроводные сети используют для передачи данных инфракрасные лучи. В подобных системах необходимо генерировать очень-сильный сигнал, так как в противном случае значительное влияние будут оказывать другие источники, например свет из окна.
Этот способ позволяет передавать сигналы с большой скоростью, поскольку инфракрасный свет имеет широкий диапазон частот. Инфракрасные сети способны нормально функционировать на скорости 10 Мбит/с.
Существует четыре типа инфракрасных сетей.
• сети прямой видимости:
В таких сетях «передача возможна лишь в случае прямой видимости: между передатчиком и приемником.
• Сети на рассеянном инфракрасном излучении.
При этой технологии сигналы отражаясь от стен и потолка, в конце концов достигают приемника. Эффективная область действия ограничена примерно 30 м (100 футами), и скорость передачи невелика (из-за неравномерности сигнала).
• Сети на отраженном инфракрасном излучении.
;В этих сетях оптические трансиверы, расположенные рядом с компьютером, передают сигналы. В определенное место, откуда они пересылаются соответствующему компьютеру.
• Модулированные оптические сети.
Эти инфракрасные беспроводные сети соответствуют жестким требованиям мультимедийной среды и практически не уступают в скорости кабельным сетям. Хотя скорость инфракрасных сетей, и удобство их использования очень привлекательны, возникают трудности при передаче сигналов на расстояние более 30 м (100 футов). К тому же такие сети подвержены помехам со стороны сильных источников света, которые есть в большинстве организаций.
Инфракрасный порт
Для связи портативных компьютеров с настольными, а также для подключения к ним лазерных принтеров стал использоваться беспроводной интерфейс, работающий в инфракрасном диапазоне волн. Принцип работы инфракрасного порта довольно прост:- светодиод (LED), работающий в инфракрасном диапазоне волн, излучает последовательность импульсов, которую принимает соответствующий фотодиод, и затем преобразует обратно в электрические сигналы. Подобная связь имеет ряд преимуществ, например низкая цена и невысокое энергопотребление. К тому же она вполне безопасна для здоровья и не вносит дополнительную лепту в электромагнитную несовместимость устройств.
Соответствующая ассоциация IrDA (Infrared Data Association) была основана еще в 1993 году. Тогда ее членами стали свыше 100 компаний. Целью этой организации было создание стандарта на недорогое соединение с использованием инфракрасного света между различными устройствами. Первый такой стандарт появился в июне 1994 года. Он основывался на технологии, предложенной компанией Hewlett Packard — SIR (Serial Infra Red Technology). В частности, данная спецификация определяла следующие ключевые параметры: скорость передачи, расстояние между устройствами и угол передачи. Для обеспечения низкой стоимости SIR базируется на стандартном последовательном порте, который имеется у большинства компьютеров и периферийных устройств. Диапазон скоростей передачи составляет от 9600 до 115 200 бит/с. Невысокое энергопотребление накладывает ограничение на предельное расстояние между устройствами: оно не может превышать одного метра. Довольно небольшой угол (30 градусов) позволяет избегать интерференции волн при работе других SIR-устройств.
В апреле 1995 года ассоциация IrDA предложила два расширения существующего стандарта, которые получили название FIR (Fast IR). Скорости передачи в данном случае могут составлять 1,152 или 4,0 Мбита/с. Однако любая система на базе нового стандарта должна обладать обратной совместимостью для работы на скорости 115,2 Кбит/с.
Интерфейс АТА
Вообще говоря, первыми устройствами типа IDE были накопители на платах расширения (HardCard), то есть устройства, объединяющие привод и контроллер. Так, в отделении Plus Development компании Quantum было разработано устройство, где на одной плате расширения находились 3,5-дюймовый винчестер с интерфейсом ST506/412 и его контроллер.
Интерфейс IDE (в современном понимании этого термина) был предложен пользователям AT- и XT-совместимых компьютеров летом 1988 года известной сегодня фирмой Conner Peripherals как недорогая альтернатива интерфейсам ESDI и SCSI. В его создании непосредственное участие приняли также фирмы CDC, Compaq Computers и Western Digital. Первый документ САМ ATA (Common Access Method AT Attachment), регламентирующий новый интерфейс, был представлен в 1989 году. Стандартизован АТА-интерфейс был в 1990 году (ANSI Х3.221). Этот стандарт определяет временные соотношения сигналов интерфейса, спецификацию кабеля, сигналы на разъеме и т.д. Поскольку АТА-спецификация была долгое время весьма "расплывчатым" документом, а большинство производителей тем не менее выпускали АТА-винчестеры, то с первыми подобными устройствами часто возникали проблемы.
Как уже говорилось, отличительной особенностью нового интерфейса является реализация функций контроллера в самом накопителе. Таким образом, если винчестер имел IDE-интерфейс, это означало, что большая часть компонентов контроллера, совместимого по адресам с интерфейсом ST506/412, расположена вместе с электронной частью винчестера. Кстати, та плата с электронными компонентами, которая обычно включается между системной шиной компьютера и самим накопителем, контроллером, вообще говоря, не является. Как правило, она выполняет функции дешифратора базовых адресов контроллера и формирователя интерфейсных сигналов. Видимо, правильнее называть эту плату адаптером.
Как и любой винчестер, накопитель АТА имеет пакет магнитных дисков, блок магнитных головок, систему позиционирования и канал считывания-записи. Кроме этого, его важнейшими составными частями являются сепаратор данных и однокристальный микроконтроллер.
Отметим, что вся служебная информация, необходимая для функционирования АТА- винчестеров, записывается на магнитные диски на заводе-изготовителе. Эта информация может быть нескольких типов: сервисная информация, рабочие программы, формат нижнего уровня, паспорт диска и таблица сбойных секторов. В частности, сервисная информация необходима для работы сервосистемы привода магнитных головок. В накопителях АТА используются как выделенные, так и встроенные сервосистемы, тем не менее в современных моделях предпочтение отдается последним. Рабочие программы предназначены для управляющего микропроцессора и представляют собой необходимый набор кодов для работы аппаратуры накопителя. Паспорт диска накопителя АТА содержит справочную информацию о конфигурации и характеристиках накопителя, а также название модели и ее серийный номер. Таким образом, вся информация о "геометрии" АТА-винчестера (количестве цилиндров, головок, секторов) хранится на самом диске. В частности, паспорт диска предназначен для автоматического конфигурирования системы и настройки программного обеспечения при работе с АТА-накопителем.
В накопителях АТА избыточность по емкости скрыта от пользователя. Часть этой избыточной емкости отводится для рабочих программ, паспорта диска и таблицы сбойных секторов. Оставшаяся часть резервируется для замены сбойных секторов. Кстати, заполнение таблицы сбойных секторов производится на заводе-изготовителе при форматировании винчестера. Таким образом, если происходит обращение к сбойному сектору, то накопитель сам переадресует обращение к резервному. По этой причине все новые АТА-накопители не имеют ни одного сбойного сектора.
Подсоединение АТА-винчестера к компьютеру выполняется посредством 40-контактного плоского кабеля: либо к соответствующему разъему непосредственно на системной плате, либо через специальный адаптер (многофункциональную плату ввода-вывода), установленный в один из разъемов расширения. Рекомендуемая длина кабеля не должна превышать 50 см.
Рис 19 Интерфейс АТА
Благодаря тесному взаимодействию пары контроллер— винчестер предусматривается, как правило, ряд особенностей, повышающих производительность винчестера, например использование аппаратной кэш-памяти для получения коэффициента чередования 1:1, режима трансляции физических параметров диска в логические, что позволяет использовать "нестандартные" параметры накопителя, и т.п. Кстати, современные накопители поддерживают так называемый универсальный режим трансляции, когда основным критерием для выбора логических параметров винчестера (количество цилиндров, головок, секторов на дорожке) является общее количество секторов на носителе. Как известно, под трансляцией понимают замену физических параметров накопителя (число головок, цилиндров, секторов на дорожку) логическими.
Теоретически скорость обмена данными для накопителей АТА составляет от 5 до 10 Мбайт/с. Наивысшей производительностью обладают системы с кэшированными адаптерами и использованием локальных шин. С массовым выпуском малогабаритных компьютеров типа лэптоп и ноутбук большее значение стали иметь размеры как самого винчестера, так и его контроллера, поэтому новая концепция интерфейса стала доминировать и в этой области.
В соответствии со спецификацией к одному разъему АТА можно подключить два винчестера, используя соединение "дэйзи-цепочка" (управляющий — Master, управляемый — Slave)(рис. 19). Правда, все контроллеры допускают подключение четырех устройств. "Трюк" в данном случае состоит в использовании адресов вторичного контроллера.
Так как винчестеры с АТА используют те же адреса, что и винчестеры с интерфейсом ST506/412, то, как правило, их нельзя использовать вместе. Еще одним ограничением АТА-винчестеров является верхний предел их емкости. Так как все операции ввода-вывода данных устройств выполняются через прерывание 13h системной BIOS, общая емкость АТА-винчестеров не может превышать примерно 1 Гбайта (около 504 Мбайт на один накопитель).Чтобы обойти это ограничение, разработчики шли на различные "трюки", которые, например, позволяли представить один физический диск как два.
Использовались и особенности самого интерфейса. Дело в том, что в одном из регистров интерфейса АТА бит номера устройства следует непосредственно за тремя битами номера головки. Следовательно, можно предположить, что подключены не два накопителя, а один, но с 32 головками.
Интерфейс Enhanced IDE и другие
"Мучения", связанные с ограниченной емкостью АТА-винчестеров, закончились, когда компания Western Digital разработала новый интерфейс Enhanced IDE. Его спецификацию поддержали практически все ведущие компании по производству жестких дисков. Тем не менее, например, фирма Seagate Technology использует для подобного интерфейса собственные названия: Fast ATA и Fast ATA-2. Надо сказать, что основные особенности этих интерфейсов совпадают со спецификацией АТА-2 и новым ANSI-стандартом — АТА-3 (ATAPI). Заметим, что Seagate Technology и Western Digital (как, впрочем, Conner и Quantum) являются членами комитета SFF (Small Form Factor), который, собственно, и дает предложения по стандартизации для ANSI .от имени производителей.
Вообще говоря, интерфейс Enhanced IDE имеет четыре основные особенности:
использование IDE-накопителей емкостью свыше 504 Мбайт,
более производительные режимы обмена данными,
подключение к одному адаптеру до четырех устройств,
поддержка периферийных устройств, отличных от жестких дисков.
Спецификация Enhanced IDE позволяет не только увеличить количество подключаемых устройств, но и использовать другие типы устройств, например приводы CD-ROM или стримеры. В частности, Western Digital для поддержки накопителей CD-ROM с интерфейсом IDE предлагает протокол ATAPI (ATA Packed Interface). ATAPI является расширением протокола АТА и требует незначительных изменений в системной BIOS. В общем случае применяется специальный драйвер.
Если интерфейс Fast ATA поддерживает режимы PIO Mode 3 и Multiword DMA Mode 1, то Fast ATA-2 реализует уже другие новые режимы: PIO Mode 4 с максимальной скоростью обмена 16,6 Мбайта/с и Multiword DMA Mode 2 (16,7 Мбайта/с). В перспективе речь идет уже о PIO Mode 5 (свыше 20 Мбайт/с). Стоит отметить, что единственным требованием спецификаций Fast АТА является только реализация режимов обмена данными, то есть система BIOS, предназначенная для Fast ATA, необязательно должна поддерживать одновременно четыре устройства, в том числе и отличные от жестких дисков, а также емкость свыше 504 Мбайт.
3.11.6 Кэширование диска
Принцип кэширования, используемый для оперативной динамической памяти, во многом похож на принцип кэширования жесткого диска, хотя понятно, что способы доступа к диску и памяти, вообще говоря, сильно различаются. Если время доступа к любой из ячеек оперативной памяти имеет одинаковое, по крайней мере, постоянное для данного компьютера, значение, то время доступа к различным блокам информации на винчестере в общем случае будет, увы, различным. Во-первых, нужно затратить некоторое время, чтобы магнитная головка записи-чтения подошла к искомой дорожке. Во-вторых, поскольку при движении головка вибрирует, то необходимо некоторое время, чтобы она успокоилась. В-третьих, искомый сектор может оказаться под головкой также спустя лишь некоторое время.
При обращении к оперативной памяти могут читаться или записываться только несколько отдельных байт, в то время как доступ к диску всегда происходит секторами. Если размер сектора в случае использования любой версии MS-DOS составляет 512 байт, то наименьший размер кэш-памяти также должен быть 512 байт.
При работе с многозадачными системами выгодно иметь винчестер с мультисегментной кэш-памятью, которая для каждой из задач отводит свою часть кэша (сегмент). В адаптивной мультисегментной кэш-памяти для повышения производительности число и размеры сегментов могут изменяться.
Интерфейс ESDI
Уже в 1985 году в немалой степени благодаря усилиям около 40 компаний, в tomj числе фирмы Maxtor, появилась первая версия спецификации ESDI, которая определяла, по сути, улучшенную версию интерфейса ST-506/412. Типы разъемов и кабелей, используемых в новом интерфейсе, на первый взгляд ничем не отличались от используемых ранее, однако, разумеется, только на первый взгляд. Одно из существенных отличий интерфейса ESDI состояло в том, что сепаратор данных располагался теперь не на контроллере, а на самом приводе. Такой, казалось бы, простой "перенос" этого устройства давал два больших преимущества. Во-первых, поскольку на сигналах уже никак не сказывались искажения в кабеле, то сепаратор мог быть достаточно точно настроен на индивидуальные характеристики конкретного привода. И, во-вторых, отказ от использования передачи низкоуровневых аналоговых сигналов позволил повысить скорость передачи по сравнению с интерфейсом ST-506/412 в два раза — до 10 Мбит/с (теоретически до 24 Мбит/с). Несомненным преимуществом нового интерфейса являлась также возможность подключения жестких дисков большого объема (сотни Гбайт) и оптических накопителей.
Интерфейс SCSI
Интерфейс SCSI был разработан в конце 70-х годов и предложен организацией Shugart Associates первоначально под названием SASI (Shugart Associates System Interface). После стандартизации этого интерфейса в 1986 году уже под "именем" SCSI (читается "скази") он стал одним из важнейших промышленных стандартов для подключения "разумных" периферийных устройств, таких, как винчестеры, стримеры, сменные жесткие и оптические диски и т.п.
Интерфейс SCSI не разрабатывался специально для работы с дисковыми устройствами, он представляет собой миниатюрную сеть, построенную в пределах одного компьютера. Для подсоединения устройства любого типа с интерфейсом SCSI (а жесткие диски являются только одним из многих видов устройств, подключаемых посредством интерфейса SCSI) к PC необходимо наличие специальной платы расширения, называемой адаптером SCSI (SCSI Host Adapter). Эта, карта расширения используется в качестве моста между системной шиной.PC и шиной SCSI. Накопители с интерфейсом SCSI, с другой стороны, обладают большей емкостью и скоростью, но за это придется не только заплатить дополнительные деньги, но и преодолеть трудности, связанные с их установкой в PC. Необходимо отметить, что SCSI — интерфейс системного, а не приборного уровня, поскольку протокол определяет только логический и физический уровень. В отличие от последовательных приборных интерфейсов ST506/412 и ESDI (где информация между накопителем и контроллером передается бит за битом) SCSI осуществляет параллельную пересылку данных. Это, в частности, позволяет существенно повысить скорость обмена. Контроллеры SCSI применяются не только в IBM PC-совместимых компьютерах, но и других платформах.
|
По существу, шина SCSI представляет собой две отдельные шины, объединенные мостом. На рис. 17 эта структура отображена графически.
Как видно из этого рисунка, управляющий адаптер шины SCSI подключается к системной шине ISA через ее разъем. К этому адаптеру могут подключаться как внутренние (например, жесткий диск), так и внешние устройства, имеющие разъемы шины SCSI.
 |
В некотором смысле шину SCSI можно рассматривать как небольшую локальную вычислительную сеть. Основное различие между шиной SCSI и обычной локальной вычислительной сетью (ЛВС) состоит в том, что ЛВС (Local Area Network, LAN) обычно используется для соединения нескольких PC (или, возможно, для подключения их к файловому серверу), в то время как PC, на котором установлен адаптер шины SCSI, является единственным универсальным компьютером, который может быть подключен к этой шине. Каждое устройство, имеющее разъем шины SCSI, фактически содержит в своем составе маленький специализированный компьютер, реализующий функции контроллера интерфейса SCSI. Но этот компьютер может решать только одну задачу, а именно, обеспечение связи данного периферийного устройства с адаптером шины, установленным в PC, и возможно с другими устройствами, подключенными к шине SCSI.
Следует заметить, что SCSI не накладывает никаких ограничений на связь между контроллером и периферийным устройством. Устройства, подключаемые к шине SCSI, могут выступать в двух ипостасях: Initiator (ведущий, например компьютер) и Target (ведомый, например винчестер), причем одно и то же устройство может быть как ведущим, так и ведомым. В стандарте выделяются четыре схемы подключения устройств: один ведущий и один ведомый, один ведущий и несколько ведомых, несколько ведущих и один ведомый, несколько ведущих и несколько ведомых. К шине одновременно может быть подключено до восьми устройств, в том числе основной (хост) адаптер SCSI. Если необходимо подключить более семи устройств, то следует использовать второй хост-адаптер. Большинство систем позволяет использовать до 4 хост-адаптеров, таким образом, общее количество периферийных устройств достигает 28.
Однако на практике не рекомендуется "смешивать" адаптеры различных фирм-производителей.
Хост-адаптер SCSI имеет собственную BIOS (базовую систему ввода-вывода), которая занимает обычно 16 Кбайт в верхней области памяти UMB (Upper Memory Block). Замена системной BIOS позволяет адаптеру работать не с двумя, а с семью приводами (например, Adaptec I1540C). Тем не менее стоит отметить, что некоторые адаптеры ограничиваются поддержкой только двух накопителей. В этом случае, правда, можно воспользоваться специальным программным драйвером.
Для осуществления обмена с процессором адаптер SCSI использует такие системные ресурсы, как порты ввода-вывода, прерывания IRQ и каналы прямого доступа в память DMA.
Физически SCSI-шина представляет собой плоский кабель с 50-контактными разъемами для подключения периферийных устройств. Хост-адаптер, как правило, имеет разъемы для подключения не только встраиваемых, но и внешних SCSI-устройств. Стандарт SCSI определяет два способа передачи сигналов — синфазный и дифференциальный. В первом случае сигналы на линиях имеют ТТЛ-уровни (транзисторно-транзисторной логики) и отрицательную логику, то есть логической единице соответствует низкий уровень напряжения. Длина кабеля в этом случае ограничена 6 м. Версии шины SCSI с дифференциальной передачей сигнала ("токовой .петлей") дают возможность увеличить длину шины до 25 м, однако до недавнего времени они были менее распространены. К тому же все "недисковые" SCSI-устройства используют, как правило, интерфейс с синфазными сигналами (общей "землей"). Разумеется, что при использовании устройств как с синфазным, так и с дифференциальным способами передачи сигналов для каждого из них необходим свой хост-адаптер. Хост-адаптер (host adapter) SCSI, который вставляется в разъем системной шины PC, представляет собой аппаратный интерфейс, осуществляющий передачу данных между системной шиной PC и устройствами, подключенными к шине SCSI. В его задачу входит посылка и получение сообщений, посылаемых на языке интерфейса SCSI по шине SCSI, и одновременно посылка и получение сообщений по системной шине PC, использующей свой протокол обмена информацией.
Поскольку поддержка функциональных возможностей интерфейса SCSI не была изначально предусмотрена в PC, в BIOS материнской платы нет программного обеспечения для реализации этой функции. Поэтому, чтобы адаптер шины SCSI мог работать, на нем должна быть установлена микросхема ROM, в которой записана его собственная BIOS, или, прежде чем вы сможете получить доступ к устройствам, подключенным к шине SCSI, вам придется загрузить соответствующее программное обеспечение с не-SCSI диска.
Чтобы гарантировать качество сигналов на магистрали SCSI, линии шины должны иметь согласование с обеих сторон (наборы согласующих резисторов, или терминаторы). На это следует обращать особое внимание при подключении новых SCSI-устройств. Терминаторы должны быть установлены на хост-адаптере и на последнем устройстве в "гирлянде" магистрали. Обычно используется один из трех методов согласования: пассивное согласование линии при помощи резисторов; улучшенное согласование с исключением перегрузок FPT (Force Perfect Termination), с применением ограничительных диодов; активное согласование, использующее регуляторы напряжения.
SCSI-шина имеет восемь линий данных, сопровождаемых линией четности, и девять управляющих линий. На шине, предназначенной для синфазной передачи, все нечетные контакты должны быть подключены к контакту "корпус" (нулевой потенциал). Многие адаптеры имеют перемычки для разрешения или запрещения использования сигнала четности.
Каждое устройство на магистрали SCSI имеет свой адрес (SCSI ID) в диапазоне от 0 до 7. В качестве адреса платы хост-адаптера обычно используется SCSI ID=7.
Обмен между устройствами на магистрали SCSI происходит в соответствии с протоколом высокого уровня. Стандарт SCSI содержит нормированный список команд CCS (Common Command Set), Этот универсальный набор команд обеспечивает доступ к данным с помощью адресации логических, а не физических блоков, как, например, в интерфейсе ESDI. Программное обеспечение для интерфейса SCSI не оперирует физическими характеристиками винчестера (то есть числом цилиндров, головок и т.
д.), а имеет дело только с логическими блоками. Понятно, что именно это и дает возможность работать практически с любыми блочными устройствами.
На магистрали SCSI возможны синхронные и асинхронные передачи. Конечно, передача данных в синхронном режиме осуществляется быстрее. Так, скорость передачи данных по шине 8-разрядной SCSI достигает 1,5 Мбайта/с в асинхронном и 3—4 Мбайт/с в синхронном режиме.
Дальнейшим развитием спецификации SCSI стал стандарт SCSI-2. Он предлагал для данного интерфейса большую гибкость и производительность. В спецификацию CSS были включены команды, поддерживающие такие устройства, как приводы CD-ROM, сканеры, коммуникационные устройства, оптические накопители.
Для повышения производительности в спецификацию SCSI-2 был введен так называемый широкий (Wide) вариант шины данных, предусматривающий наличие дополнительных 24 информационных линий. Так появился Wide SCSI-2. В этом случае 8-разрядные устройства продолжают взаимодействовать по магистрали SCSI, использующей 50-проводный кабель (кабель А), а устройства большей разрядности связываются дополнительным 68-проводным кабелем (кабель В) (рис. 18). Надо отметить, что ограничение "широкого" варианта SCSI-2 состоит в том, что он может надежно работать только при реализации дифференциального варианта SCSI.
 |
Рис 18 Интерфейс SCSI
Для повышения пропускной способности магистрали SCSI было предложено увеличить тактовую частоту обмена примерно в два раза за счет сокращения критических временных параметров шины, применения новейших БИС, высококачественных кабелей и активного согласования линий. Реализуемый таким образом "скоростной" (Fast) SCSI-2 повысил производительность магистрали до 10 Мбайт/с. Совместное использование Fast и Wide (32-разряда) SCSI-2 теоретически позволяет достичь быстродействия до 40 Мбайт/с. Кстати, на практике вместо кабелей А и В производители используют кабели Р (16- и 32-разрядный Wide SCSI) и Q (32-разрядный Wide SCSI), которые определены только в будущем стандарте SCSI-3.
Дело в том, что 68-контактный Р-кабель заменяет кабели А и В для 16-разрядного варианта Wide SCSI-2. Новы вариант интерфейса — Ultra SCSI, для 8- разрядной передачи обеспечивает скорость 20 Мбайт/с, а для 16-разрядной — 40 Мбайт/с.
Разумеется, максимальная производительность может быть достигнута, когда плата хост-адаптера реализована для системной EISA-шины и/или локальных VL-bus- и PCI-шин. Устаревшая ISA-шина слишком медленна даже для варианта Fast SCSI-2, поскольку может обеспечить скорость обмена около 2 Мбайт/с. Кстати, одно из преимуществ использования SCSI-винчестеров состоит в том, что они спокойно "уживаются" с другими типами интерфейсов: ST506/412, ESDI, ATA, так как могут использовать отличные от них системные ресурсы компьютера.
Разумеется, не все различия между интерфейсами SCSI и SCSI-2 перечислены здесь. Ряд изменений внесен и в логический протокол, например введена возможность организации очереди команд. Заметим, что окончательная редакция стандарта SCSI-2 была принята только в январе 1994 года, а в 1995 была утверждена уже спецификация SCSI-3. Она отличается возможностью подключать большее количество устройств (более 7) и допускает использование более длинного кабеля. В частности, в спецификации выделен последовательный вариант SCSI. Возможны три варианта его реализации: Serial Storage Architecture, P1394, или FireWare, и Fibre Channel. Последний, кстати, основан на оптических линиях связи. Скорость передачи от 51 Мбита/с до 1 Гбита/с.
Здесь следует также отметить, что существует спецификация ASPI (Advanced SCSI Programming Interface), которую разработала фирма Adaptec — ведущий производитель адаптеров SCSI. ASPI определяет стандартный Программный интерфейс для хост-адаптера SCSI, то есть позволяет ему общаться с соответствующей операционной системой. Программные модули ASPI (вторичные драйверы) устанавливаются для каждого отдельного устройства. Они обеспечивают взаимодействие периферийных устройств с главным адаптером. Итак, основным программным модулем ASPI является ASPI хост-менеджер.С нимi связываются вторичные драйверы ASPI, например для таких устройств, как приводы CD-ROM, оптические и сменные жесткие диски, сканеры и т.д.
В случае если производитель SCSI-устройства поставляет ASPI-совместимый драйвер, гарантируется его совместимость со всеми хост-адаптерами или интерфейсными картами Adaptec и большинства других производителей. К сожалению, в ряде случаев производители (например, приводов CD-ROM) поставляют свою карту контроллера с собственным (несовместимым с ASPI) драйвером, называя интерфейс SCSI. Это следует иметь в виду, если вы хотите подключить к SCSI другие устройства.
Другая спецификация — SCAM (SCSI Configuration Auto Magically) — позволяет упростить настройку SCSI-устройств и скрыть от пользователя некоторые ее детали.
Ведущими производителями адаптеров SCSI помимо Adaptec являются такие фирмы, как Future Domain, Distributed Processing Technology (DPT), NCR и т.д.
Массовое применение жестких дисков типа
Массовое применение жестких дисков типа винчестер началось только после того, как в 1980 году фирма Shugart Technology (сегодня Seagate Technology) выпустила устройство ST-506 с форм-фактором FH (Full Height) 5,25 дюйма. Форматированная емкость этого винчестера была всего 5 Мбайт, а для связи с компьютером он использовал интерфейс того же названия (ST-506), разработанный фирмой Shugart Technology в конце 70-х годов. Впрочем, "корни" ST-506 можно было обнаружить в двух других интерфейсах: SA450 — для флоппи-дисков и SA1000 — для 8-дюймовых жестких дисков. Как и интерфейс SA450, ST-506 использовал 34-жильный кабель управления (по принципу "дейзи-цепочки", то есть в режиме управляющий-управляемый), а от SA1000 остались 20-жильные "радиальные" кабели для передачи данных индивидуально для каждого накопителя (рис. 16). Впрочем, у оригинального интерфейса ST-506 имелся один существенный недостаток. При поиске нужной дорожки каждая выполняемая приводом команда передвигала головку чтения-записи только на один шаг (подобный принцип работы используется у дисковода флоппи-дисков).
 |
Электроника, расположенная на винчестере с интерфейсом ST506/412, была достаточно проста. Основную нагрузку по обработке данных выполнял сам контроллер. Как уже говорилось, связь между контроллером и винчестером осуществлялась через два плоских кабеля: 20-жильный — для передачи данных и 34-жильный — для управляющих сигналов. Простой набор этих сигналов (Direction In, Step, Head Select и т.д.) затруднял использование накопителей большой емкости.
Скорость вращения шпинделя диска винчестера составляла 3600 оборотов в минуту.
Дня первых винчестеров ST506/412 применялся способ модифицированной частотной модуляции (MFM), который позволял записывать 17 стандартных 512-байтных секторов на одну дорожку винчестера. Максимально возможная скорость передачи данных, достигаемая в этом случае, подсчитывается очень просто. Если бы контроллер винчестера успевал читать последовательно один за другим сектора дорожки, она составила бы (17х512х8х3600):60=4; 177 920 Мбит/с, то есть около 5 Мбит/с.
Хотя метод MFM-кодирования относительно прост, надежен и не требует больших затрат при своей реализации, он является далеко не самым лучшим по плотности хранения информации. Дело в том, что помимо информационных необходимы биты синхронизации, которые должны храниться наряду с информационными. Заметим, что сигналы, включающие в себя данные и биты синхронизации, передаются по кабелю в аналоговом виде. Разделение этой информации происходит в специальном устройстве — сепараторе, который для интерфейса ST-506/412 находится в контроллере.
Вообще говоря, метод MFM-кодирования позволяет записывать от одного до трех бит данных на один переход намагниченности. Поиск путей повышения плотности записи на винчестере был связан со стабилизацией вращения диска и улучшением качества его рабочих поверхностей. Благодаря этому новый метод кодирования, впервые предложенный фирмой IBM, — 2,7 RLL (или просто RLL) - позволил увеличить емкость дисков почти в 1,5 раза, а скорость передачи данных возросла (количество секторов на дорожку — 26): (512х26х8х3600):60 = 6 389 76 бит/с. Основа метода RLL состоит в перекодировании исходной группы информации и введении избыточности. Чтобы использовать такие винчестеры, необходимы специальные RLL-контроллеры.
Дальнейшим развитием метода записи 2,7 RLL стал так называемый метод Advanced или Enhanced RLL (ARLL, ERLL или 3,9 RLL). Теперь из названия ясно, что изменение магнитного потока возникает не ранее чем после 3 и не позже чем после 9 бит информации.Этот метод позволяет записывать 31 сектор на дорожку и повысить скорость передачи информации до значения (512х31х8х3600):60 = 7 618 560 бит/с.
Кстати, подключение MFM-винчестера к RLL-контроллеру хотя и возможно, но крайне нежелательно, поскольку в этом случае нельзя гарантировать надежную работу такого "тандема". Обратное же подключение (MFM-контроллера к RLL-винчестеру) вполне допустимо.
Кстати, максимальные значения емкости винчестеров с интерфейсом ST506/412 составляют для кодирования MFM — 152, для кодирования RLL — 233 Мбайта.
Интерфейсы накопителей
Для подключения накопителей к IBM PC-совместимому компьютеру в настоящее время используется либо интерфейс IDE (Integrated Drive Electronics), или ATA (AT Attachment), либо SCSI (Small Computer System Interface), либо оба интерфейса вместе.
Электромагнитные помехи
Электромагнитными помехами являются шумы низких и высоких частот, токов, наводки от напряжения питания. Их источниками являются низкочастотные электромагнитные колебания от работы больших моторов, дрелей, и т.д. (Electromagnetic Interference), или высокочастотные электромагнитные колебания от близлежащих передатчиков, и т.д. (Radio frequency interference). Кстати говоря, Ваш персональный компьютер – тоже источник электромагнитных помех.
Приводят к повреждению или потере данных; обнаруживаются осциллографом. Появляются самостоятельно, или вкупе с перенапряжением, бросками напряжения, и т.д.
Минимизация риска:
§ не прокладывать сетевой кабель возле люминесцентных ламп;
§ надежное заземление аппаратуры;
§ не допущение установки вычислительной техники вблизи мощных радиостанций, или других источников EMI/RFI.
§ постоянный контроль над низким уровнем излучения своей вычислительной техники;
§ установка если возможно, сеток, защитных экранов и т.п.;
§ силовые и сетевые кабели не должны проходить рядом.
§ На открытых пространствах для передачи информации необходимо использовать оптоволоконный кабель или радиоканал типа точка-точка. Остальное ведет себя непредсказуемо, а главное не обеспечивает гальваническую развязку.
Кроме того, к электромагнитным помехам относится Crosstalk - интерференция между кабелями, проложенными рядом.
Минимизация:
§ физическая защита кабеля;
§ использование витой пары;
§ использование оптоволоконного кабеля.
Электростатические разряды (Electro Static Discharge)
Один из самых зловещих бичей вычислительной техники – статическое электричество, повреждающее компьютер и данные. Один из моих знакомых, работающий в отделе технической автоматизации одного из Томских банков рассказал следующую историю:
- однажды утром в отделе раздался телефонный звонок. Сотрудница сообщила, что у нее не работает клавиатура. Клавиатуру заменили. На следующий день ситуация повторилась. Так продолжалось три или четыре дня, пока инженеры не обратили внимания на то, что у сотрудницы шерстяные детали одежды соседствовали с синтетическими. Это и являлось причиной появления статического электричества, и как следствие, выхода из строя микросхемы клавиатуры.
Следует заметить, что электростатический потенциал может достигать величины 3-х киловольт, например движущийся человек способен создать разность потенциалов 1кВ (шаговое напряжение). Это при том, что практически любую вычислительную технику можно вывести из строя потенциалом > 20 В.
Обнаруживаются специальной аппаратурой.
Меры защиты:
§ кроме выключения кнопки off, при замене плат, вынимать из розетки шнур питания;
§ заземление всех компонентов, в особенности сетевых плат для коаксиального кабеля;
§ при переноске различных компонентов использовать фольгированные пакеты.
Кроме того, существуют так называемые “золотые правила Static Prevention”. Они гласят:
§ при работе с вычислительной техникой необходимо следить за заземлением всех компонентов, себя, окружающих;
§ не браться руками за токоведущие части;
§ перевозить все компоненты в электростатических чехлах;
§ осторожно использовать диэлектрики: пластик и т.д. – они могут являться источниками статического электричества;
§ не касаться других людей, во время их работы с вычислительной техникой и особенно клавиатуры их компьютера;
§ не класть компоненты вычислительной техники на токоведущие части (металл);
§ не вскрывать вычислительную технику в местах с влажностью более 90%.
Преимущества этой программы
§ менее интенсивно меняется “железо” (аппаратные средства);
§ меньше времени простаивает техника (downtime);
§ меньше труднообъяснимых проблем difficult-to-trace;
§ менее интенсивны визиты служб сервиса.
Как показали исследования, результаты которых были приведены еще в феврале 1987 года журналом “Microservice Management”, возврат инвестиций в электростатическую защиту 300-4000 %.
Эталонная модель взаимодействия открытых систем
В вычислительной технике начало развития идеологии построения открытых систем связывается с созданием компьютеров серии IBM 360, позволявших использовать одно и то же системное и прикладное программное обеспечение на любых компьютерах с IBM подобной архитектурой. Данный подход оказался достаточно эффективным и получил дальнейшее развитие при построении персональных компьютеров той же фирмы. В частности, это определило одну из причин широкого распространения IBM совместимых компьютеров на мировом компьютерном рынке.
Как уже отмечалось, современным системам телеобработки свойственен принцип "открытых" систем, поэтому естественным является использование данного подхода в и компьютерных сетях. В рамках сетевых технологий "открытость" систем используется: с целью обеспечения возможности подключения к компьютерной сети оборудования различных фирм без дополнительной доработки сетевого программного и аппаратного обеспечения. При этом основным и, пожалуй, единственным условием является то, чтобы подключаемые системы также отвечали требованиям модели взаимодействия открытых систем.
: Стремление к максимальному упорядочению и упрощению процессов разработки, модернизации и расширения сетей определило необходимость введения стандартов, регламентирующих принципы и процедуры организации взаимодействия абонентов компьютерных сетей. Интенсивные работы в данном направлении ведутся рядом международных организаций, таких как Международная организация стандартов (ISO), Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии (ССГТТ), Европейская ассоциация производителей компьютеров (European Computer Manufacture Association — ЕСМА) и др. Международной организацией стандартов был специально создан Технический комитет ТС 97, один из подкомитетов которого (подкомитет SC 16), занимается разработкой стандартов для компьютерных сетей. Первой задачей, решенной в рамках стандартизации компьютерных сетей, было определение структуры построения стандартов и принципов организации работ по их созданию.
Основополагающим результатом работы в данном направлении явилось создание Стандарта 7498, определяющего так называемую Базовую эталонную модель взаимодействия открытых систем. Впоследствии этот стандарт был принят за основу всеми организациями, занимающимися разработкой стандартов в области компьютерных сетей. Разработку и внедрение эталонной модели взаимодействия открытых систем можно считать одним из важнейших результатов в области стандартизации компьютерных сетей, способствующему широкому внедрению их в различные сферы человеческой деятельности.
Данный стандарт определяет:
• понятия и основные термины, используемые при построении открытых систем;
• описание возможностей и набора конкретных услуг, которые должна предоставлять открытая система;
• логическую структуру открытых систем; протоколы, обеспечивающие услуги открытых систем.
Как устроен винчестер
Итак, накопитель содержит один или несколько дисков (platters), то есть это носитель, который смонтирован на оси-шпинделе, приводимом в движение специальным двигателем (часть привода)(рис. 13). Скорость вращения двигателя для обычных моделей составляет около 5400 об/мин. Понятно, чем выше скорость вращения, тем быстрее считывается информация с диска (разумеется, при постоянной плотности записи), однако пластины носителя при больших оборотах могут физически просто разрушиться. Тем не менее, в современных моделях винчестеров скорость вращения достигает уже 5400, 7200, 10 000 и даже 15 000 об/мин.
Сами диски представляют собой обработанные с высокой точностью керамические или алюминиевые пластины, на которые нанесен специальный магнитный слой (покрытие). Надо отметить, что за последние годы технология изготовления этих деталей ушла далеко вперед.
 |
|
Рис. 13 Жесткий диск |
Количество дисков может быть различным — от одного до пяти и выше, число рабочих поверхностей при этом соответственно в два раза больше, правда не всегда. Иногда наружные поверхности крайних дисков или одного из них не используются для хранения данных, при этом число рабочих поверхностей уменьшается и может оказаться нечетным (рис.13).
Вообще говоря, применение записи с высокой плотностью позволяет уменьшить количество не только дисков, но и головок, а также других механических элементов, что позволяет повысить общую надежность устройства.
Наиболее важной частью любого накопителя являются головки чтения-записи (read-write head).
 |
Как правило, они находятся на специальном позиционере, который напоминает рычаг звукоснимателя на проигрывателе грампластинок (тонарм) (рис.14 ).
|
Рис. 14 Позиционер |
Это и есть вращающийся позиционер головок (head actuator). К слову сказать, существуют также линейные позиционеры, по принципу движения, напоминающие тангенсальные тонармы.
Заметим, что в современных винчестерах головки как бы "летят" на расстоянии доли микрона (обычно около 0,13 мкм) от поверхности дисков, разумеется, не касаясь их.
Кстати, в жестких дисках выпуска 1980 года это расстояние составляло 1,4 мкм, в перспективных же моделях ожидается его уменьшение до 0,005 мкм. На первых моделях винчестеров позиционер головок перемещался обычно с помощью шагового двигателя. В настоящее время для этой цели используются преимущественно линейные (типа voice coil, или "звуковая катушка") двигатели, иначе называемые соленоидными. К их преимуществам можно отнести относительно высокую скорость перемещения, практическую нечувствительность к изменениям температуры и положениям привода. Кроме того, при использовании соленоидных двигателей реализуется автоматическая парковка головок записи-чтения при отключении питания винчестера. В отличие от накопителей с шаговым двигателем не требуется периодическое переформатирование поверхности носителя.
Кроме всего перечисленного, внутри любого винчестера обязательно находится печатная плата с электронными компонентами, которые необходимы для нормального функционирования устройства привода. Так, например, электроника расшифровывает команды контроллера жесткого диска, стабилизирует скорость вращения двигателя, генерирует сигналы для головок записи и усиливает их от головок чтения и т.п. В настоящее время в ряде винчестеров применяются даже цифровые, сигнальные процессоры DSP (Digital Signal Processor).
 |
Рис. 15 |
Категории стандартов ЛВС
Стандарты ЛВС, определенные Project 802, делятся на 12 категорий, каждая из которых имеет свой номер.
802.1- Объединенные сети.
802.2- Управление логической связью.
802.3- ЛВС с множественным доступом, контролем несущей и обнаружением коллизий (Ethernet).
802.4- ЛВС топологии «шина» с передачей маркера.
802.5- ЛВС топологии «кольцо» с передачей маркера.
802.6- сеть масштаба города (Metropolitan Area Network, MAN).
802.7-Консультативный совет по широковещательной технологии (Broadcast Technical Advisory Group).
802.8- Консультативный совет по оптоволоконной технологии (Fiber-Optic Technical Advisory Group). ,
802.9- Интегрированные сети с передачей речи и данных (Integrated Voice/Data Networks).
802.10— Безопасность сетей
802.11— Беспроводные сети]
802.12— ЛВС с доступом по приоритету запроса (Demand Priority Access LAN, IGObaseVG-AnyLan).
Структура стандартов IEEE-802 представлена на рис 49. Стандарт IEEE-802.1 является общим документом, который определяет архитектуру и прикладные процессы системного управления сетью, методы объединения сетей на подуровне управления доступом к передающей среде. Стандарт IEEE-802.2 определяет протоколы управления логическим каналом. Каждый из остальных стандартов, начиная с IEEE-802.3, определяет метод доступа и специфику физического уровня для конкретного типа локальной компьютерной сети. Так стандарт IEEE-802.3 описывает характеристики и процедуры множественного доступа с контролем передачи и обнаружения столкновений. Стандарт IEEE-802.4 определяет протокол маркерного доступа к моноканалу. Процедуры и характеристики маркерного доступа к кольцевой локальной сети определяется стандартом IEEE-802.5. Для построения локальных сетей, охватывающих площадь радиусом до 25 км и использующих технические средства кабельного телевидения, разработан стандарт IEEE-802.6. В подкомитете IEEE-802.11 разработан стандарт на радиосети для мобильных компьютеров, а в комитете IEEE-802.12 стандарт на высокоскоростные компьютерные сети lOOVG-AnyLAN,
 |
Рис. 49. Структура стандартов IEEE 802.X
В 1985 году стандарт IEEE-802 был принят Международной организацией стандартов за основу международных стандартов физического и канального уровней ISOJ^DIS 8802/2.2 — ISO/DIS 8802/5. Кроме того, эти стандарты были дополнены стандартом ISO/DIS 8802/7 на сети с тактируемым методом доступа к кольцу, разработанным на основе протоколов доступа локальной сети Cambridge Ring.
Кэш память
Функционально кэш-память предназначена для согласования скорости работы сравнительно медленных устройств, таких, на пример, как динамическая память, с относительно быстрым микропроцессором. Дело в том, что работа большинства элементов, на которых построен процессор, во многом похожа на работу ячеек статической памяти — триггеров. Поэтому их быстродействие существенно выше, нежели элементов динамической памяти. Использование кэш-памяти позволяет избежать циклов ожидания в его работе, которые снижают производительность всей системы.
Для пользователей IBM PC-совместимых компьютеров использование кэш-памяти началось еще с 386-х микропроцессоров. Для таких устройств, синхронизируемых, например, частотой 33 МГц, тактовый период составляет приблизительно 30 нс. Обычные микросхемы динамической памяти имеют время выборки от 60 до 100 нс. Отсюда, в частности, следует, что центральный процессор вынужден простаивать 2—3 периода тактовой частоты (то есть имеет 2—3 цикла ожидания), пока информация из соответствующих микросхем памяти установится на системной шине данных компьютера. Понятно, что в это время процессор не может выполнять никакую другую работу. Такая ситуация приводит к снижению общей производительности системы, что, разумеется, крайне нежелательно. Таким образом, узким местом системы становится оперативная динамическая память. Из этого положения существует, казалось бы, простой выход — использовать в качестве основной памяти достаточно быструю статическую. Однако если основную оперативную память выполнить на микросхемах статической памяти, то стоимость компьютера возрастет очень существенно. Таким образом, с помощью технологии обработки, использующей кэш-память, найден определенный компромисс между стоимостью и производительностью системы.
Заметим, что работа кэш-памяти практически "прозрачна" (то есть невидима) для пользователя. Тем не менее, она очень важна. В IBM PC-совместимых компьютерах технология использования кэш-памяти помимо обмена данными между микропроцессором и основной оперативной памятью находит применение также между основной оперативной памятью и внешней (накопителями на сменных и несменных носителях).
Архитектура кэш-памяти
Прежде чем говорить об архитектуре кэш-памяти, введем такое понятие, как длина строки-кэша (cache-line). Если при обмене данными между устройствами речь обычно идет о блоке информации, то для кэш-памяти существует некий набор данных, называемых строкой. Итак, архитектура кэш-памяти определяется тем, каким образом достаточно большая по размеру основная память отображается на сравнительно небольшой кэш. Существуют, вообще говоря, три разновидности отображения: кэш-память с прямым отображением (direct-mapped cache), частично, или наборно-ассоциативная (set-associative cache) и полностью ассоциативная (fully associative cache). Все эти архитектуры так или иначе используются для построения кэш-памяти современных микропроцессоров.
Кэш-память с прямым отображением
Самой простой организацией обладает кэш-память с прямым отображением. В этом случае адрес памяти полностью определяет используемую строку кэша. Таким образом, один или несколько блоков оперативной памяти строго соответствуют одной строке кэша, однако поскольку занимать ее в одно и то же время может только один из них, то для каждой строки используется специальный признак — тег (tag).
Преимуществом реализации такого типа архитектуры являются довольно низкие затраты, поскольку, по сути, требуется всего лишь одна операция сравнения (для тегов). Недостатки ее, впрочем, также очевидны. Например, если два блока данных основной памяти, используемые одинаково часто, претендуют на одну и ту же строку в кэше. Внешняя кэш-память с прямым отображением использовалась, например, вместе с 386-ми процессорами (кэш-контроллер 182385), а внутренняя — в микропроцессоре DEC Alpha 21064.
Полностью ассоциативная архитектура
Другим типом архитектуры является полностью ассоциативная кэш-память. В этом случае любой блок памяти может занимать любую строку кэша. Полный адрес памяти делится только на две части: младшие разряды — смещение в строке и старшие разряды — информация о теге. В этой архитектуре решена проблема конфликтов адресов, однако сама кэш-память требует для своей реализации больших аппаратных затрат, поскольку значения тегов должны уже сравниваться для всех линий кэша.
Тем не менее, микропроцессор 6x86 фирмы Cyrix, имел вторичную встроенную 256-байтную кэш память для команд, которая имела полностью ассоциативную архитектуру.
Наборно-ассоциативная архитектура
Разумным компромиссом между двумя рассмотренными архитектурами является наборно-ассоциативная организация кэш-памяти. В этом случае несколько линий (две, четыре, пять, восемь) объединяются в наборы, и средние биты адреса памяти определяют уже не конкретную линию (как в прямом отображении), а набор. Сравнение тегов (со значением старших разрядов) производится только для линий, входящих в набор. Подобную архитектуру имеет подавляющее число процессоров, например 486DX, 486DX2, Intel DX4, Pentium и т.д.
По количеству линий кэша, входящих в набор, подобная архитектура может называться 2-входовой (2-way set associative), 4-входовой (4-way set associative) и т.д.
Обновление информации
Каждый раз, когда микропроцессору требуется информация, отсутствующая в кэше (cache-miss), он вынужден обращаться через системную шину к основной оперативной памяти. После этого обычно решается, должна ли происходить замена строки в кэш-памяти и какая конкретно строка кэша будет заменена. В подавляющем большинстве случаев об этом заботится встроенный в контроллер LRU-алгоритм (Last Recently Used), который обновляет именно ту строку кэша, которая используется менее интенсивно.
Классификация оперативной памяти
Если от типа процессора зависит количество адресуемой памяти, то быстродействие используемой оперативной памяти в свою очередь во многом определяет скорость работы процессора, а в конечном итоге влияет и на производительность всей системы. Практически любой PC-совместимый компьютер оснащен оперативной памятью, выполненной на микросхемах динамического типа с произвольной выборкой (DRAM, Dynamic Random Access Memory). Каждый бит такой памяти представляется в виде наличия (или отсутствия) заряда на конденсаторе, образованном в структуре полупроводникового кристалла. Другой тип памяти — статический (SRAM, Static RAM) — в качестве элементарной ячейки памяти использует так называемый статический триггер. Если для реализации одного запоминающего элемента динамической памяти требуется 1—2 транзистора, то для статической их число возрастает до 4—6. Статический тип памяти обладает высоким быстродействием и, как правило, используется в самых "узких" местах системы, например для организации кэш памяти.
Теперь коротко рассмотрим принцип работы динамической памяти. Единственным способом выяснить, заряжен или разряжен конденсатор, является попытка разрядить его. Если конденсатор был действительно заряжен (то есть хранил единичный бит), то после разряда его, (разумеется, надо снова подзарядить. Ячейки памяти динамического типа конфигурируются обычно в матрицу строк и столбцов, причем процесс считывания организуется таким образом, что содержимое целой строки переносится в некий буфер, выполненный на элементах статической памяти. После считывания соответствующего бита содержимое буфера перезаписывается в ту же строку ячеек динамической памяти, то есть производится перезарядка конденсаторов, которые до считывания были в заряженном состоянии.
Не следует также забывать о том, что время хранения заряда конденсатором ограничено (из-за "паразитных" утечек). Таким образом, чтобы не потерять имеющиеся данные, необходимо периодическое восстановление записанной информации, которое выполняется в циклах регенерации (refresh cycle). Кстати, в первых моделях PC для индикации моментов времени, когда возникала необходимость регенерации динамической памяти, использовался специально выделенный таймер. Для считывания содержимого ячеек (которое, разумеется, сопровождается перезаписью информации) применялся один из каналов контроллера прямого доступа DMA. Стоит, правда, отметить, что микросхемы динамической памяти имели встроенные средства регенерации, что уменьшало загрузку процессора. Тем не менее, операции разрядки-перезарядки занимают определенное время, которое снижает скорость работы динамической памяти. Это является, пожалуй, одним из основных недостатков динамической памяти, так как по критерию, учитывающему информационную емкость, стоимость и энергопотребление, этот тип памяти во многих случаях предпочтительнее статической.
Классификация принтеров
Большинство пользователей подразделяет все принтеры только на матричные, струйные и лазерные. Это не совсем так. Стоит начать с того, что практически все современные принтеры (используемые с IBM PCD-совместимыми компьютерами) могут быть отнесены к матричным устройствам. Как известно, идея матричных печатающих устройств заключается в том, что все мыслимые (и немыслимые) знаки воспроизводятся ими из набора отдельных точек, наносимых на бумагу тем или иным способом. Поэтому точнее сказать, что все печатающие устройства можно подразделить на последовательные, строчные и страничные. Принадлежность принтера к той или иной из перечисленных групп зависит от того, формирует он на бумаге символ за символом или сразу всю строку, а то и целую страницу. В свою очередь в каждой группе можно выделить устройства ударного (impact) и безударного (non-impact) действия. Далее принтеры можно подразделить на матричные и символьные (сейчас, кстати, крайне редкие), и только после этого речь может идти об используемой технологии печати (рис. 21). К слову сказать, все принтеры безударного действия являются матричными. Поэтому, вообще говоря, их всех можно назвать матричными печатающими устройствами, потому как даже страничный лазерный принтер формирует изображение из отдельных точек (по строкам) и, разумеется, является матричным. Но называть все принтеры матричными, видимо, все же не стоит.
На практике сложилось так, что, когда говорят о матричных принтерах, обычно имеют в виду устройства ударного действия (impact dot matrix), например всем известные модели Epson'ов, Star'oB и Microlin'oB. Будем придерживаться этой терминологии и мы.
Поскольку трактовка терминов в русском языке еще до конца не устоялась, то по
тексту в скобках мы будем использовать и оригинальные названия. Это поможет ориентироваться в англоязычной документации на печатающие устройства.
Классификация устройств защиты
Самую простейшую защиту по питанию обеспечивают так называемые ограничители перенапряжения. Они способны предохранить нагрузку от различного рода выбросов и всплесков питающего напряжения. Подобные устройства выпускают, например, фирмы American Power Conversion (APC), TrippLite, Best Power Technology.
Более высокий уровень защиты обеспечивают устройства нормализации, которые “очищают” питающее напряжение от всевозможных шумов, и позволяют регулировать его в некотором диапазоне. Некоторые из них способны даже предотвратить даже кратковременные провалы в питающем напряжении. В том случае, если в данном устройстве используется технология феррорезонансного преобразования, они способны обеспечить полную развязку по частоте, не допуская проникновения ВЧ шумов в цепи нагрузки.
Большая часть “необъяснимых” повреждений системных, модемных, сетевых и т.п. плат зачастую является следствием импульсов высокого напряжения, попадающих в интерфейсный порт не по цепи питания, а по кабелям данных. Чтобы избежать подобных эффектов, необходимо использовать дополнительные устройства.
Обеспечить работу нагрузки при полном отключении электропитания (blackout) могут только устройства, называемые UPS (Uninterruptible Power Supply) или ИБП (источник бесперебойного питания). Функционально такое устройство почти всегда состоит из устройства подавления помех, зарядного устройства, батареи аккумуляторов (обычно свинцово-кислотных) и преобразователя напряжения. Две наиболее многочисленные группы ИБП составляют устройства, имеющие топологию on-line (постоянно включенные), и off-line или standby (резервные). Схема «классического» ИБП приведена на рисунке 1.
ИБП, относящиеся к последней группе, можно, в свою очередь, разделить на две подгруппы: standby hybrid UPS и standby-ferro UPS (гибридные и феррорезонансные). Существует еще подгруппа устройств, выполненных по топологии line – interactive (интерактивные ИБП), хотя чаще всего их относят к типу standby (или hybrid) UPS.
 |
Рисунок 1 Источник бесперебойного питания
Постоянно включенные ИБП (работающие в режиме on-line) обеспечивают электроснабжение подключенных устройств от батареи аккумуляторов через преобразователь напряжения независимо от состояния электросети, в то время как резервные UPS переходят на такой режим работы только при полном отключении питающего напряжения.
Для постоянно включенных ИБП, в рабочем режиме используется “ветка”, включающая в себя зарядное устройство, аккумуляторы и преобразователь. Таким образом, электропитание потребителей происходит от заведомо “чистого” источника и не зависит от “капризов” электросети. Зарядное устройство в этом случае должно быть достаточно мощным, что приводит, естественно, к большим габаритам самого ИБП. В случае выхода из строя какого-либо компонента рабочей ветки подобного ИБП питание потребителей осуществляется в резервном режиме непосредственно от сети по второй “ветке” через стабилизатор. Из-за высоких требований к компонентам (особенно аккумуляторам), классическая схема включения on-line на практике не используется. Вместо нее применяются различные схемы двойного и тройного преобразования напряжения: переменное - постоянное, постоянное – постоянное (с использованием широтно-импульсной модуляции), постоянное – переменное. В случае двойного преобразования, выпрямитель преобразует переменный ток в постоянный. При этом зарядное устройство одновременно подзаряжает батарею аккумуляторов. Затем инвертор преобразует постоянный ток в переменный. В случае сбоя питания, инвертор питается постоянным током от батареи. В нормальном режиме работы аккумулятор в этом случае не разряжается. Это позволяет гарантировать коэффициент гармонических искажений не более 5% при падении напряжения на входе устройства даже на 50%.
Для резервных ИБП все выглядит с точностью до наоборот: “ветка” со стабилизатором является основной, а с аккумулятором – резервной. В качестве примера резервного ИБП можно привести модели серии Back-UPS фирмы АРС, или Patriot фирмы Best Power Technology (BPT).
Функциональная блок-схема, поясняющая принцип действия интерактивного ИБП приведена на рисунке 2
Рисунок 2 Интерактивный ИБП
Одним из основных отличий от классической топологии standby UPS является наличие узла Smart-Boost. Это позволяет при кратковременных провалах напряжения до 12% от номинального не переходить на питание от аккумуляторов, а “вытягивать” уровень выходного напряжения за счет входного. Преимущества такого решения особенно проявляются в “грязной” электросети, то есть там, где падение напряжения происходит очень часто. В этом случае обычный резервный ИБП работает практически только на аккумуляторах, которые сравнительно быстро разряжаются. Кстати говоря, в современных моделях ИБП Smart-Boost работает не только как стабилизатор, то есть не только увеличивает, но и уменьшает входное напряжение. Другое важное отличие от классической схемы это то, что преобразователь напряжения постоянно подключен к выходу ИБП. Таким образом, при размыкании переключателя на выходе уже присутствует соответствующее напряжение питания. Примеры: Fortress (BPT), Smart UPS (APC). Причем последние наиболее популярны.
Основным узлом феррорезонансных ИБП является феррорезонансный трансформатор, который имеет две первичные обмотки (рисунок 3). В нормальном режиме работы, напряжение от сети поступает через переключатель на одну из первичных обмоток трансформатора, а в случае сбоя питания от аккумулятора, через преобразователь на другую. В нормальном режиме работы трансформатор выполняет функции стабилизатора и сетевого фильтра. В случае сбоя в электросети, энергии, накопленной в магнитном поле трансформатора, хватает на питание нагрузки в течение 10-15 мс. За это время в работу включается инвертор, переключающий питание на резервный режим. Наличие феррорезонансного преобразования позволяет гарантировать высокий уровень гальванической развязки, практически синусоидальную форму выходного напряжения, а также исключить большинство “неприятностей” в электропитании (особенно импульсные помехи).
 |
Отдельная группа устройств - непрерываемые аккумуляторные системы UBS (Uninterruptible Battery System).
По сути, любая из этих систем это маленькая электростанция: Управляемый микропроцессором источник постоянного тока с приводом от двигателя (система “мотор-генератор”). При использовании UBS можно гарантировать надежное электропитание в течение часов, дней и даже недель, при этом не требуется замены дорогостоящих элементов (аккумуляторов).
Для локальных вычислительных систем большое значение имеет автоматический контроль состояния ИБП, подключенного к серверу. С этой целью в сетевые операционные системы включают специальные программы, а ИБП доукомплектовывается соответствующими платами контроля (UPS Monitoring Board). Для соединения с ИБП используется либо специальный интерфейс, либо стандартный последовательный интерфейс RS 232.
В заключение следует отметить, что европейский стандарт EN50091 Part 3 определяет такие категории ИБП, как пассивный резервный (Passive Standby), активный резервный (Active Standby) и постоянного действия (Continuous Operation). Активный ИБП отличается от пассивного наличием узла типа Smart-Boost. Кроме того, в активных ИБП нагрузка питается от UPS в случае сбоя по питанию только через инвертор. Ключевым элементом ИБП постоянного действия является питание нагрузки через инвертор, который, как правило, от нее гальванически развязан.
Клавиатуры
Как известно, клавиатура является пока основным устройством ввода информации в компьютер. В техническом аспекте это устройство представляет собой совокупность механических датчиков, воспринимающих давление на клавиши и замыкающих тем или иным образом определенную электрическую цепь.
Основным назначением клавиатуры любого компьютера является уведомление его о том, что одна или несколько из ее клавиш нажаты или отпущены. Сведения о том, что клавиша отпущена, не менее важно, чем сведения о том, что она нажата. Это особенно важно для клавиш <Shift> (которые изменяют регистр символов, соответствующих нажимаемым клавишам, если одна из этих кнопок находится в нажатом положении в момент нажатия на клавишу символа), а также для клавиш, одновременное нажатие которых образует определенную управляющую комбинацию (называемую аккордом или сочетанием клавиш).
Существуют различные способы реализации клавиатур, отличающиеся способом уведомления пользователя о том, что нужная клавиша была нажата или отпущена. В зависимости от назначения, существует множество разновидностей клавиатур. В настоящее время наиболее распространены два типа клавиатур: с механическими и с мембранными переключателями. В первом случае, датчик представляет из себя традиционный механизм с контактами из специального сплава. Несмотря на то, что эта технология используется уже несколько десятилетий, фирмы-производители постоянно работают над ее модификацией и улучшением. Стоит отметить, что в клавиатурах известных фирм контакты переключателей имеют позолоченное покрытие, что существенно улучшает электрическую проводимость.
Технология, основанная на мембранных переключателях, считается более прогрессивной, хотя особых преимуществ, вообще говоря, не дает. Переключатель в этом случае может представлять собой набор мембран: активная — верхняя, пассивная — нижняя, которые разделены третьей мембраной — прокладкой. Известны также модули, в которых тонкие посеребренные листки пластика разделены небольшим воздушным зазором и проводящей жидкостью.
Но наиболее распространенными являются клавиатуры, изготовленные с применением формованного эластичного полимера. В этих клавиатурах между клавишами и печатной платой располагается прослойка из эластичного полимера (искусственной резины). На прослойке под клавишами клавиатуры расположены бугорки, образованные за счет изгиба прослойки. При нажатии на клавишу бугорок продавливается, и его внутренняя сторона прижимается к печатной плате. При этом токопроводящая прокладка, расположенная с обратной стороны каждого бугорка, замыкает контакты, расположенные на печатной плате, и посылает компьютеру сигнал о нажатии клавиши. При правильном подборе параметров характеристики клавиатур данного типа приближаются к параметрам лучших клавиатур "со щелчком", но при этом имеют гораздо меньшую стоимость. Этим объясняется их широкое распространение.
Как правило, внутри корпуса любой клавиатуры помимо датчиков клавиш расположены электронные схемы дешифрации и микроконтроллер клавиатуры. Обмен информацией между клавиатурой и системной платой осуществляется 11-битовыми блоками (8 разрядов данных плюс служебная информация). Несмотря на то, что физически связь осуществляется только по двум проводам (сигнал и "Земля") последовательно, сам интерфейс отличается от стандартного порта RS-232C. В качестве микроконтроллера клавиатуры обычно используются микросхемы 8048, 8049 (со встроенной ROM-памятью) или совместимые с ними.
Основной принцип работы клавиатуры вместе с микросхемой контроллера заключается в сканировании переключателей клавиш. Замыканию и размыканию любого из этих переключателей (то есть нажатию или отпусканию клавиши) соответствует уникальный цифровой код — скэн-код (размером один байт). Скэн-код — это однобайтное число, младшие семь битов которого представляют собой идентификационный номер, присвоенный каждой клавише. Для клавиатур компьютеров PC и PC/XT старший бит кода говорит о том, была клавиша нажата (1) или отпущена (0). Клавиатура для PC/AT работает немного по-другому.
В обоих случаях посылается один и тот же скэн-код, который предваряется кодом FOh, когда клавиша отпускается.
Когда скэн-код попадает в контроллер клавиатуры (8042), тут же инициируется аппаратное прерывание IRQ1. Процессор моментально прекращает свою работу и выполняет процедуру, анализирующую скэн-код. Данное прерывание обслуживается специальной подпрограммой, входящей в состав ROM BIOS. Кстати, эта подпрограмма может быть вызвана также через программное прерывание INT 9. Когда поступает код от клавиши сдвига (Shift) или переключателя (Caps Lock), изменение статуса записывается в специальную область памяти. Во всех остальных случаях скэн-код трансформируется в код символа при условии, что он подается при нажатии клавиши, в противном случае скэн-код отбрасывается. После этого введенный код помещается в буфер клавиатуры, который является областью памяти, способной запомнить до 15 вводимых символов, пока программа не может их обработать.
Трудно описать все многообразие клавиатур, выпускаемых в настоящее время. Даже Microsoft выпустила клавиатуру собственной разработки Microsoft Natural Keyboard, которая имеет 104 клавиши. Коротко перечислим другие интересные клавиатуры.
Существуют клавиатуры с дополнительными программируемыми клавишами. Выпускаются клавиатуры, которые умеют читать штриховые коды (bar code) и магнитные карточки, отвечающие стандарту ISO 3554. Для мультимедиа-приложений разработаны даже клавиатуры со встроенными микрофоном и акустическими системами.
В последнее время большой интерес проявляется к так называемым эргономичным клавиатурам, в конструкции которых учтено большинство рекомендаций медиков и специалистов. Такие клавиатуры обычно разбиты на две секции, причем каждая из них может подстраиваться по боковым и фронтальным разворотам индивидуально. Обе секции имеют площадки для отдыха кистей рук.
Отечественных пользователей IBM PC-совместимых компьютеров, видимо, могли бы заинтересовать клавиатуры, называемые обычно Coffee Proof. Дело в том, что конструкция их корпуса такова, что не позволяет жидкости (например, пролитому кофе) проникнуть в электронную "начинку" клавиатуры.При помощи специального устройства клавиши легко снимаются, а влага удаляется обыкновенной тряпкой.
Климатические условия
Большинство компонентов, составляющих современную вычислительную технику, рассчитаны для работы в нормальных климатических условиях (температура окружающего воздуха 15-40° С, влажность и т.д.), за исключением устройств, специально разработанных для работы в других условиях. Несоблюдение этих требований может привести как к выходу из строя всей системы в целом, так и отдельных ее компонентов.
Кроме того, ряд устройств, имеющих повышенную теплоотдачу, в настоящее время снабжается специальными системами охлаждения. Выход из строя этих систем может привести к перегреву устройства, и возможно, его поломке. Даже если этого не произойдет, велика опасность повышения температуры внутри корпуса всего устройства, что может создать эффект ”chip creep”, когда микросхемы, или другие компоненты самодемонтируются, либо потеряют контакт с разъемом.
В качестве рекомендаций по предотвращению подобных проблем необходимо указать следующее:
регулярно (не реже раз в 3-4 месяца) проводить ревизию систем охлаждения и теплоотвода (вентиляторов и т.д.), вовремя очищать накопившуюся на них пыль и грязь.
следить за качеством воздуха в помещении, температурой и влажностью.
курение в помещении, в котором установлена вычислительная техника, сокращает срок ее эксплуатации на 40-50%, из-за осаждения табачного дыма на контактах и, как следствие, их окисления.
Коаксиальный кабель
|
Изоляция (поливинилхлорид, тефлон) |
Не так давно наиболее распространенным типом считался коаксиальный кабель. Это объяснялось двумя причинами. Во-первых, он был относительно недорогим легким гибким и удобным в применении, а во-вторых, надежным и простым в установке. Самый простой коаксиальный кабель состоит из медной жилы (core), окружающей ее изоляции, экрана в виде металлической оплетки и внешней оболочки. Если кабель, кроме металлической оплетки, имеет и слой фольги, он называется кабелем с двойной экранизацией. При наличии сильных помех можно воспользоваться кабелем с учетверенной экранизацией. Он состоит из двойного слоя фольги и двойного слоя металлической оплетки.
|
Внешняя оболочка |
',
Проводящая жила
Оплетка из медных проводов
или алюминиевый кожух
Рис: 34 Строение коаксиального кабеля
Некоторые типы кабелей покрывает металлическая сетка — экран (shield). Он защищает передаваемые по кабелю данные, поглощая внешние электромагнитные сигналы, которые называются помехами или шумом. Таким образом, экран не позволяет помехам исказить данные.
Электрические сигналы, кодирующие данные, передаются по жиле. Жила — это один провод (сплошная жила) или пучок проводов. Сплошная жила изготавливается, как правило, из меди.
Жила окружена диэлектрическим (dielectric) изоляционным слоем, который отделяет ее от металлической оплетки. Оплетка играет роль «земли» и защищает жилу от электрических шумов (noise) и перекрестных помех (crosstalk). Перекрестные помехи — это электрические наводки, вызванные сигналами в соседних проводах.
Проводящая жила и металлическая оплетка не должны соприкасаться, иначе произойдет короткое замыкание и данные разрушатся. Снаружи кабель покрыт непроводящим слоем — из резины, тефлона или пластика.
Коаксиальный кабель более помехоустойчив, затухание сигнала в нем меньше, чем в витой паре. Затухание (attenuation) — это ослабление сигнала при его прохождении по кабелю.
Как уже говорилось, плетеная защитная оболочка поглощает внешние электромагнитные сигналы, не позволяя им влиять на передаваемые по жиле данные, поэтому коаксиальный кабель можно использовать при передаче на большие расстояния и в тех случаях, когда высокоскоростная передача данных осуществляется на несложном оборудовании.
Типы коаксиальных кабелей
Существует два типа коаксиальных кабелей для построения компьютерных сетей:
• тонкий (thinnet) коаксиальный кабель;
• толстый (thicknet) коаксиальный кабель.
Выбор того или иного типа кабеля зависит от потребностей конкретной сети.
Тонкий коаксиальный кабель
Тонкий коаксиальный кабель — гибкий кабель диаметром около 0,5 см (0,25 дюйма). Он прост в применении и подходит практически для любого типа сети. Подключается непосредственно к плате сетевого адаптера компьютера.
Тонкий коаксиальный кабель способен передавать сигнал на расстояние до 185 м (около 600 футов) без его заметного искажения, вызванного затуханием.
Производители кабелей выработали специальную маркировку для различных типов кабелей. Тонкий коаксиальный кабель относится к группе, которая называется семейством RG-58; его волновое сопротивление равно 50 Ом. Волновое сопротивление (impedance) — это сопротивление переменному току, выраженное в омах. Основная особенность семейства RG-58 — медная жила. Она может быть сплошной или состоять из нескольких переплетенных проводов.
Толстый коаксиальный кабель
Толстый коаксиальный кабель — относительно жесткий кабель с диаметром около 1 см (0,5 дюйма). Иногда его называют «стандартный Ethernet», поскольку он был первым типом кабеля, применяемым в Ethernet — популярной сетевой архитектуре. Медная жила этого кабеля толще, чем у тонкого коаксиального кабеля. Чем толще жила у кабеля, тем большее расстояние способен преодолеть сигнал. Следовательно, толстый коаксиальный кабель передает сигналы дальше, чем тонкий, — до 500 м (около 1640 футов). Поэтому толстый коаксиальный кабель иногда используют в качестве опорного кабеля, магистрали (backbone), который соединяет несколько небольших сетей, построенных на тонком коаксиальном кабеле.
Для подключения к толстому коаксиальному кабелю применяют специальное устройство — трансивер (transceiver).
Трансивер снабжен специальным соединителем, который назван довольно оригинально — «вампир» (vampire tap) или «пронзающий ответвитель » (piercing tap).
«Вампир» проникает через изоляционный слой, протыкая его, и вступает в непосредственный физический контакт с проводящей жилой. Чтобы подключить трансивер к сетевому адаптеру, надо кабель трансивера подключить к коннектору AUI-порта сетевой платы. Этот коннектор известен также как DIX-коннектор (Digital Intel Xerox®), в соответствии с названиями фирм-разработчиков, или коннектор DB-15.
 |
 |
Сравнение двух типов коаксиальных кабелей
Как правило, чем толще кабель, тем сложнее его прокладывать. Тонкий коаксиальный кабель гибок, прост в установке и относительно недорог. Толстый кабель трудно гнуть, следовательно, его сложнее монтировать. Это очень существенный недостаток, особенно в тех случаях, когда необходимо проложить кабель по трубам или желобам. Толстый коаксиальный кабель дороже тонкого, но при этом он передает сигналы на большие расстояния.
Оборудование для подключения коаксиального кабеля
Для подключения тонкого коаксиального кабеля к компьютерам используются так называемые BNC- коннекторы (British Naval Connector, BNC) (Рис. 36). В семействе BNC выделяют несколько основных компонентов:
 |
Рис. 36 BNC-коннектор
 |
BNC Т-коннектор (Рис. 37).
Т-коннектор соединяет сетевой кабель с сетевой платой компьютера.
|
|
 |
Рис. 37 BNC Т-коннектор
BNC-терминатор. (Рис. 38)
Рис. 38 BNC-терминатор
В сети с топологией «шина» для поглощения блуждающих сигналов на каждом конце кабеля устанавливаются терминаторы. Иначе сеть не будет работать.
Кольцо
При топологии «кольцо» (рис. 31) компьютеры подключаются к кабелю, замкнутому в кольцо. Поэтому у кабеля просто не может быть свободного конца, на который надо поставить терминатор. Сигналы передаются по кольцу в одном направлении и проходят через каждый компьютер. В отличие от пассивной топологии «шина», здесь каждый компьютер выступает в роли повторителя, усиливая сигналы и передавая их следующему компьютеру. Поэтому, если выйдет из строя один компьютер, прекращает функционировать вся сеть.
Рисунок 31 Топология сети типа кольцо
Комбинированные сети
Существуют и комбинированные типы сетей, сочетающие лучшие качества одноранговых сетей и сетей на основе сервера. Многие администраторы считают, что комбинированные сети наиболее полно соответствуют запросам современных пользователей. Комбинированные сети — наиболее распространенный тип сетей, но для их правильной реализации и надежной защиты необходимы определенные знания и навыки планирования.
Комбинированные топологии
Сегодня при компоновке сети все чаще используются комбинированные топологии, которые сочетают отдельные свойства шины, звезды и кольца.
¾ Звезда-шина
«Звезда-шина» (star-bus) — это комбинация топологий «шина» и «звезда» (Рис.32). Обычно схема выглядит так: несколько сетей с топологией «звезда» объединяются при помощи магистральной линейной шины.
В этом случае выход из строя одного компьютера не скажется на работе всей сети — остальные компьютеры по-прежнему взаимодействуют друг с другом. А выход из строя концентратора повлечет за собой отсоединение от сети только подключенных к нему компьютеров и концентраторов.
Рис. 32 Сеть с топологией «звезда-шина»
¾ Звезда-кольцо
«Звезда-кольцо» (star-ring) несколько похожа на «звезду-шину» (Рис. 33). И в той и в другой топологиях компьютеры подключаются к концентраторам. Отличие состоит в том, что концентраторы в «звезде-шине» соединены магистральной линейной шиной, а в «звезде-кольце» все концентраторы подключены к главному концентратору, образуя звезду. Кольцо же реализуется внутри главного концентратора.
 |
|
Рис. 33 Сеть с топологией «звезда-кольцо» |
Контроллер прерываний
В первых компьютерах IBM PC использовалась микросхема контроллера прерываний I8259 (Interrupt Controller), которая имеет восемь входов для сигналов прерываний (IRQO-IRQ7). Как известно, в одно и то же время микропроцессор может обслуживать только одно событие, и в этом ему помогает контроллер прерываний, который устанавливает для каждого из своих входов определенный уровень важности — приоритет. Наивысший приоритет имеет линия запроса прерывания IRQO, а наименьший — IRQ7, то есть приоритет убывает в порядке возрастания номера линии.
В IBM PC/AT восьми линий прерывания оказалось уже недостаточно, и их количество было увеличено до 15 путем каскадного включения двух микросхем контроллеров прерываний 18259. Такое каскадное включение осуществлялось путем соединения выхода второго контроллера ко входу IRQ2 первого. Важно понять следующее: линии прерывания IRQ8—IRQ15 (то есть входы второго контроллера) имеют приоритет ниже, чем IRQ1, но выше IRQ3.
В таблице 2 приведено распределение номеров прерываний по устройствам для большинства IBM РС/АТ - совместимых компьютеров.
| IRQ | INT | Доступно | Использование | ||||
| 0 | 08h | нет | Системные часы (18,2 Гц) | ||||
| 1 | 09h | да | Клавиатура | ||||
| 2 | OAh | да | Второй блок IRQ8-15 | ||||
| 8 | 70h | нет | Таймер (1024 Гц) | ||||
| 9 | 71h | да | Переадресовано на IRQ2 | ||||
| 10 | 72h | да | - | ||||
| 11 | 73h | да | - | ||||
| 12 | 74h | 'да | - | ||||
| 13 | 75h | нет | Сопроцессор | ||||
| 14 | 76h | да | Контроллер винчестера | ||||
| 15 | 77h | да | - | ||||
| 3 | OBh | да | COM2 или COM4 | ||||
| 4 | OCh | да | СОМ1 или COM3 | ||||
| 5 | ODh | да | LPT2 | ||||
| 6 | OEh | да | Контроллер флоппи | ||||
| 7 | OFh | да | LPT1 |
| Таблица 2. Таблица прерываний |
Для компьютеров, совместимых с PC/AT, обычно свободны всего четыре линии запроса прерываний: IRQ 10, 11, 12 и 15. Это, разумеется, касается только полноразмерных плат (16 разрядов данных). Для шин ISA и PCI используется одинаковый набор IRQ. Однако для PCI обычно используются прерывания, активные не по фронту, а по уровню, хотя и первая возможность также не исключается. Это позволяет использовать одну линию для передачи нескольких сигналов прерываний. Обычно для устройств PCI автоматически используются оставшиеся прерывания после установки ISA-плат.
Помимо прерываний, есть еще один способ вызывать какие-то события внутри PC без прямого вмешательства CPU. Это канал DMA.
Контроллер прямого доступа в память
Пересылка байта информации из одной области памяти в другую или из памяти в порт обычно проходит в два шага. На первом шаге CPU получает этот байт, из памяти и записывает в один из своих регистров. На втором шаге он записывает байт в место назначения.
Немножко подумав, сразу же можно назвать два основных недостатка подобного подхода: Первый из них заключается в том, что во время перемещения байта CPU ни чем другим заниматься не может. Второй — на перемещение байта требуется два шага. Кажется, мелочь, но если нужно переместить не один байт, а целый блок, мелочью это уже не назовешь.
Внутри PC есть несколько типов устройств, которым нужно пересылать именно большие группы байт. Устройство чтения гибких дисков, например. Звуковые карты также очень интенсивно пересылают байты, настолько интенсивно, что часто они используют сразу несколько каналов DMA. Многие сканеры пользуются каналом DMA, и кто знает, какие еще подобные устройства появятся в дальнейшем.
Осознавая важность проблемы, разработчики первого PC решили завести дополнительный микропроцессор, называемый контроллером прямого доступа к памяти. Этот микропроцессор занимается тем, что по команде CPU перемещает заданное количество байт из одной последовательности адресов памяти в указанный порт, начиная с определенного адреса памяти.
Он может и принять из порта последовательность, байт определенной длины и поместить ее в память, начиная с указанного адреса. Все подобные пересылки происходят через каналы DMA, иначе говоря, каждой пересылкой занимается определенная часть контроллера DMA. Какая именно это будет часть, т. е. какой; канал займется этим, решает не сам контроллер, а устройство (CPU или какое-либо устройство, ввода-вывода), запросившее доступ к нему. А именно, перед тем как пользоваться DMA-контроллером для пересылки данных, такое устройство обязано сказать контроллеру, какой канал будет им использоваться. Так что каналы DMA — это ресурс, требующий аккуратного обращения, иначе при обращении к ним могут начаться конфликты устройств, которые ни к чему хорошему не приведут.
Разумеется, DMA подверглась улучшению, позволившему более эффективно использовать пропускную способность существующих шин. Новейшая версия, названная UltraDMA, может передавать данные IDE-устройствам со скоростью до 33 Мб/с (мегабайт в секунду), т. е. в два раза быстрее старой версии.
Корпуса и маркировка
Элементы динамической памяти для персональных компьютеров конструктивно бывают выполнены либо в виде отдельных микросхем, в корпусах типа DIP (Dual In line Package), либо в виде модулей памяти типа SIP/SIPP (Single In line Pin Package), типа SIMM (Single In line Memory Module) или DIMM (Dual In line Memory Module). Модули памяти представляют собой небольшие текстолитовые платы с печатным монтажом и установленными на них микросхемами памяти в DIP-корпусах. В большинстве современных модулей памяти используются микросхемы в корпусах для поверхностного монтажа (например, типа SOP — Small Outline Package). Для подключения к системной плате на SIMM- и DIMM-модулях используется печатный ("ножевой") разъем, а на SIP-модулях — штыревой. У DIMM-модулей в отличие от SIMM контакты на противоположных сторонах платы электрически не связаны между собой. Это дает возможность практически вдвое увеличить количество выводов модуля. Сами микросхемы памяти также устанавливаются на плате с двух сторон. Иначе такие модули называют двусторонними (double sided) SIMM.
Когда-то, наиболее распространенными были 30-контактные SIMM-модули с байтовой организацией и контролем четности (емкостью 256 Кбайт, 1 Мбайт, 4 Мбайта и 16 Мбайт). Здесь стоит, видимо, сказать несколько слов о контроле четности.
Так, при записи байта информации в запоминающее устройство определяется дополнительный контрольный разряд, который вычисляется как сумма по модулю 2 всех информационных битов. Обычно контрольный разряд равен нулю, если число единиц в байте было четным, и наоборот, он равен единице, если число единиц в группе было нечетным. Таким образом, при чтении ранее записанного байта, вновь получив контрольный разряд и сравнив его с уже имеющимся, можно говорить о достоверности получаемой информации. Этот метод нашел широкое распространение для контроля информации в оперативной памяти IBM PC-совместимых компьютеров.
С другой стороны, на каждые 8 информационных разрядов приходится один бит четности, то есть стоимость модуля увеличивается более чем на 10%.
Современные технологические успехи производителей микросхем памяти существенно повысили степень их надежности (среднее время безотказной работы составляет теперь несколько десятков лет), что дало возможность исключить бит четности как таковой.
Другая крайность: некоторые изготовители очень мощных персональных компьютеров используют даже коды с коррекцией ошибок (ЕСС), чтобы защитить содержимое RAM так же, как это делается на жестких дисках. Это достигается либо использованием нескольких модулей RAM без четности (но при наличии запасных модулей, где и хранятся данные ЕСС), либо RAM с четностью (при сохранении данных ЕСС в объединенных битах четности).
Надо ли дополнительно платить за память с четностью. Не обязательно. Такую вещь хорошо иметь, но она может и не стоить своих денег. То же можно сказать и про память с ЕСС. Возможно, решающими факторами будут объем памяти PC (чем большей памятью он обладает, тем больше вероятность однажды ошибиться) и серьезность вашего отношения к целостности данных. Чем дороже ваш PC и чем больше у него памяти, тем выгоднее иметь четность или даже ЕСС - защиту. Но даже и не думайте об этом, если вы не защитили данные, установив источник бесперебойного питания (UPS) на вашем PC. Защита с помощью UPS гораздо важнее, и если это для вас слишком дорого, значит, вам не нужна и память с четностью.
Для 32-разрядных процессоров 30-контактные модули должны были устанавливаться на системную плату в количестве, кратном 4 (для получения длины слова в 32 бита). Поскольку на плате обычно присутствует 8 таких разъемов, то максимальный объем памяти в этом случае ограничен 64 Мбайтами.
С появлением Pentium стали применяться 72-контактные 36-битовые модули (32 бита длина слова и по биту контроля четности на каждый байт), (Рис. 7). Они обозначались как 256Кх36, 512Кх36, 1Мх36, 2Мх36, 4Мх36, 8Мх36, 16Мх36, что соответствовало емкости 1, 2, 4, 8, 16, 32 и 64 Мбайта. Понятно, что такие модули для 486-х микропроцессоров могут уже устанавливаться и по одному.
Максимально достижимый в этом случае объем памяти может быть разным, что зависит не только от количества разъемов под модули, но и от того, модули с какой максимальной емкостью поддерживаются контроллером памяти. Рис. 7 Модуль памяти
 |
Модули SIMM оказались весьма популярными, однако и им нашлась замена, и они практически совсем уступили место DIMM. Причины этого лежат на поверхности. Блок памяти содержит количество микросхем или модулей памяти, достаточное, для хранения и параллельной передачи числа бит данных, равного числу линий данных CPU. Относительное соответствие всех чипов памяти в одном блоке достаточно важно. В частности, все они должны быть в состоянии хранить одно и то же число бит информации. Кроме того, все они должны отвечать на запросы чтения-записи данных примерно за одно и то же время, причем подчиняясь одинаковым сигналам. Все это может быть изначально гарантировано, если во всех разъемах, составляющих один блок, используются идентичные микросхемы или модули памяти.
Один, из простейших способов гарантировать правильное заполнение блоков памяти соответствующими микросхемами памяти заключается в использовании больших модулей памяти. У них может быть 32 или 64 линии данных (в зависимости от типа CPU), так что всего лишь один такой модуль составит целый блок памяти. Конечно, такой памяти необходимо гораздо больше контактов для установки в разъем, нежели модулю SIMM с байтовой шириной.
Чтобы разместить все эти контакты, не увеличивая чрезмерно модуль памяти, производители выводят контакты по обеим сторонам печатной платы, несущей модули памяти. (Даже сами модули памяти могут быть размещены на обеих сторонах платы). Такие модули называются DIMM (Dual Inline Memory Module — модуль памяти "в две линейки").
Модуль DIMM представляет собой целый блок памяти, все элементы которого соответствуют друг другу автоматически, без особых усилий со стороны пользователя. (Более того, эти модули защищены прорезями-ключами от некорректного использования, так что вы не сможете установить DIMM, рассчитанный на 3,3 вольта в разъем для 5-вольтового DIMM, и наоборот. У модулей DIMM, кроме того, гораздо больше проводов заземления, чем SIMM, что становится критичным по мере роста скоростей, на которых работают модули памяти).
Микросхемы памяти — это изделия высочайшего технологического уровня, которые выпускаются небольшим количеством японских, корейских, американских и европейских фирм с мировым именем: Samsung, NEC, Toshiba, Mitsubishi, Oki, Hitachi, Sanyo, Goldstar, Hyundai, Motorola, Texas Instruments, Micron Technology, Siemens. Так, первой фирмой, выпустившей 256-Мбит-ную микросхему динамической памяти, стала корейская компания Samsung. Некоторые фирмы поставляют не только готовые микросхемы, но и полуфабрикаты — кремниевые пластины со сформированными на них схемами памяти. Они используются другими фирмами, которые монтируют чипы в корпус, тестируют и могут продавать под другой торговой маркой, как правило, по более низким ценам. Некоторые известные производители компьютеров (brand name) применяют в своих изделиях нестандартные модули памяти, так называемые "собственные" (proprietary memory).
Лазерные и LEty-принтеры
В лазерных (laser) принтерах используется электрографический принцип создания изображения — примерно такой же, как и в копировальных машинах. Этот процесс, в частности, включает в себя создание рельефа электростатического потенциала в слое полупроводника с последующей визуализацией полученного рельефа. Собственно визуализация осуществляется с помощью частиц сухого порошка — тонера, наносимого на бумагу. Наиболее важными частями лазерного принтера можно считать фотопроводящий цилиндр (печатающий барабан), полупроводниковый лазер и прецизионную оптико-механическую систему, перемещающую луч. Микромощный полупроводниковый лазер генерирует тонкий световой луч, который, отражаясь от вращающегося зеркала, формирует электронное изображение на светочувствительном фотоприемном барабане. Барабану предварительно сообщается некий статический заряд. Для получения изображения лазер должен включаться и выключаться, что обеспечивается специальной управляющей электроникой принтера. Вращающееся зеркало служит для разворота луча лазера на новую строку, формируемую на поверхности печатающего барабана. Когда луч лазера попадает на предварительно заряженный барабан, заряд "стекает" с освещенной поверхности. Таким образом, освещаемые и не освещаемые лазером участки барабана имеют разный заряд. В зависимости от того, как (положительно или отрицательно) заряжены частицы порошкообразного тонера, они будут притягиваться и прилипать к барабану только в областях с разноименным зарядом. После формирования каждой строки специальный прецизионный шаговый двигатель поворачивает барабан так, чтобы можно было формировать следующую строку. Это смещение равняется разрешающей способности принтера и может составлять, например, 1/300, 1/600 или 1/1200 дюйма. Данный этап работы во многом напоминает построение изображения на экране монитора (растрирование).
Когда изображение на барабане построено, и он покрыт тонером, подаваемый лист заряжается таким образом, чтобы тонер с барабана притягивался к бумаге.
После этого изображение закрепляется на ней за счет нагрева частиц тонера до температуры плавления. Окончательную фиксацию изображения осуществляют специальные резиновые валики, прижимающие расплавленный тонер к бумаге.
На рынке лазерных принтеров можно выделить печатающие устройства малого быстродействия (скорость вывода — 4—6 страниц в минуту), принтеры среднего быстродействия (7—11 страниц в минуту) и принтеры коллективного использования, так называемые сетевые принтеры (более 12 страниц в минуту). Для лазерных принтеров, работающих с бумагой формата А4, стандартом де факто становится разрешающая способность 600 точек на дюйм. Принтеры, способные работать с бумагой формата A3, как правило, имеют разрешающую способность 1200 точек на дюйм и невысокую скорость вывода — 3—4 страницы в минуту.
К наиболее важным функциональным возможностям принтеров относятся такие, как поддержка технологии повышения разрешающей способности, наличие масштабируемых шрифтов (PostScript, TrueType), объем оперативной памяти и т.п. Безусловным лидером на рынке лазерных принтеров малого быстродействия является фирма Hewlett Packard. Хорошо зарекомендовали себя также модели фирм Lexmark, Canon, Epson, QMS, Minolta.
 |
Рис 24 Лазерный принтер |
Кроме лазерных принтеров (рис. 24) существуют так называемые LED-принтеры (Light Emitting Diode), которые получили свое название из-за того, что полупроводниковый лазер в них был заменен «гребенкой» мельчайших светодиодов. Разумеется, в данном случае не требуется сложная оптическая система вращающихся зеркал и линз. Изображение одной строки на светочувствительном барабане формируется одновременно. Одним из лидеров на рынке LED-принтеров можно назвать фирму Okidata, хотя подобные устройства сегодня выпускают еще ряд фирм.
Лазерные технологии организации сетей
Лазерная технология, похожа на инфракрасную тем, что требует прямой видимости между передатчиком и приемником. Если по каким-либо причинам луч будет прерван, то это прервет и передачу.
Локальные шины
Разработчики компьютеров, системные платы которых основывались на микропроцессорах i80386/486, стали использовать раздельные шины для памяти и устройств ввода-вывода, что позволило максимально задействовать возможности оперативной памяти, так как именно в данном случае память может работать с наивысшей для нее скоростью. Тем не менее, при таком подходе вся система не может обеспечить достаточной производительности, так как устройства, подключенные через разъемы расширения, не могут достичь скорости обмена, сравнимой с процессором. В основном это касается работы с контроллерами накопителей и видеоадаптерами. Для решения возникшей проблемы стали использовать так называемые локальные (local) шины, которые непосредственно связывают процессор с контроллерами периферийных устройств.
