Министерство образования и науки РФ
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Иркутский государственный технический университет
Курсовая работа
по Организации ЭВМ«Периферийныеустройства»
Иркутск 2010г.
Содержание
Введение
1. Портыввода вывода
2 Устройства ввода информации:клавиатура, мышь, манипуляторы
3. Накопитель на жестких магнитных дисках
4. Видеоподсистема компьютера. Видеокарта. Видеопамять компьютера
5 Видео монитор
6. Современные ЖК мониторы
7. Сканер
Список литературы
Введение
Как известно современный компьютер — сложная система, включающаяпроцессор (или процессоры в многопроцессорных системах), предназначенный для выполненияпрограмм и основную (оперативную) память, которая хранит эти программы и результаты,полученные при выполнении программ. К этой части вычислительной системы предъявляютсяособенно высокие требования по скорости обмена данными. Процессоры работают всена более высокой частоте, память отстает по быстродействию. Изучая организацию памятивычислительных систем, мы познакомились с методами, которые позволяют увеличитьскорость чтения и записи данных. Особенно важно, чтобы необходимые скоростные характеристикиобеспечивала система шин вычислительной системы. Мы рассмотрели различные архитектурыпроцессоров и обратили внимание на то, что контроллер, управляющий работой памятиможет быть включен в системный контроллер компьютера, на который перекладываетсячасть функций процессора по управлению устройствами, образующими компьютер ( какв системах на Pentium4), или контроллер может быть включен в схему процессора (какв системах на процессорах AMD-64). Но это еще не все трудности, которые необходимопреодолеть для того, чтобы сделать компьютер быстрым. Важно обеспечить вывод информациина монитор. Эти задачи возлагаются на видеоподсистему компьютера. Для нормальноговосприятия изображения человеком необходимо обновлять информации с достаточно высокойскоростью. От видеосистемы требуется отображать в окне потоковое видео, графикувысокого разрешения. Все это требует высокой скорости обмена видеосистемы и памяти.Поэтому обычно для подключения видеосистемы выделяется специальная шина. Системныйконтроллер на сегодняшний день делится на две части. Первая (микросхема, которуюназывают обычно «северный мост») предназначена для управлением процессомобмена между процессором и оперативной памятью, оперативной памятью и видеосистемойи вторая (микросхему называют «южный мост») — предназначена для обменас памятью внешних устройств. Специальная шина связывает эти микросхемы между собой,работой памяти управляет контроллер памяти, обычно входящий в северный мост. К южномумосту подсоединяются более медленные устройства, такие, как жесткий диск, он необходимдля хранения программ и данных. Как организуется связь жесткого диска с оперативнойпамятью (организация виртуальной памяти) мы рассматривали ранее, для подключенияжесткого диска требуется своя локальная шина, в настоящее время осуществляется переходна последовательные шины в архитектуре компьютера, для подключения жесткого дискаприменяется SATA (Serial AT Attachment for Disk Drives). Хотя и уходит в прошлоетакой вид памяти, как гибкий диск, какое-то время будет сохраняться контроллер гибкогодиска и интерфейс для связи с ним. Это медленное устройство ввода/вывода информации,поэтому не стоит вопрос о скоростной шине для обмена с ним. К южному мосту подключаетсяклавиатура. Информацию вводит человек, имеющий очень большую инерцию по сравнениюс вычислительной системой и высоких требований к этой шине не предъявляется. В связисо стремлением к стандартизации системы подключения внешних устройств клавиатураи мышь подключаются при помощи USB шины (Universal Serial Bus). Эта шина ( или болеескоростная последовательная шина) используется для подключения и других внешних(периферийных) устройств, принтеров, сканеров и т.д. Чтобы иметь представление оработе этих устройств познакомимся коротко с их организацией.
1./> Порты ввода вывода
В персональном компьютере любое подключаемое устройство, за исключением оперативнойпамяти, является периферийным Для подключенияпериферийных устройств используются порты ввода/вывода. Конструктивно порты ввода/выводапредставляют собой регистры контроллера внешнего устройства, которые непосредственноподключены к шине ввода/вывода компьютера. Для управления обменом данными междуаппаратными компонентами компьютера каждому порту ввода/вывода присваивается свойуникальный шестнадцатеричный номер (адрес порта), например 2F8h, 370h. В IBM-совместимыхперсональных компьютерах можно адресовать 216 портов ввода/вывода (хотя большинствоиз них, как правило, не используется). Диапазон адресов, отведенный для адресациивнешних устройств и памяти образует общее адресное пространство. Стандартно портыустройств ввода/вывода для IBM PC-совместимых компьютеров занимают диапазон адресовот О-3FFH включительно, хотя реально можноиспользовать адреса вплоть до FFFFh, например, порты процессора волнового синтеза( WT) звуковой карты имеют адреса в диапазоне 620h-E23h. В адресное пространствовходят порты контроллеров клавиатуры, жестких и гибких дисков, видеоадаптеров, звуковыхкарт, последовательных и параллельных интерфейсов, игровых портов и любого другогопериферийного оборудования.
Напомним, что одно периферийное устройство может использовать несколько портовввода/вывода. Иногда их количество может достигать нескольких десятков. Например,контроллер параллельного интерфейса имеет три регистра: регистр вывода данных, регистрсостояния и регистр управления, адресуемые через свои порты ввода/вывода, а контроллерпоследовательного интерфейса — десять регистров, адресуемых через семь портовввода вывода.
Естественно, адресация портов осуществляется центральным процессором при выполнениисоответствующей программы. Для того чтобы исключить необходимость указания конкретногоадреса каждого порта ввода/вывода при программировании, а также для оперативногоих изменения в зависимости от конкретной конфигурации компьютера, существует понятиебазовый адрес порта ввода/вывода (Base Address Input/Output).
Базовый адрес порта ввода/вывода присваивается каждому периферийному устройствуи соответствует младшему адресу из группы портов (обычно адресу порта регистра данных).Адресация остальных портов периферийного устройства осуществляется путем заданиясмещения (целое число) относительно базового адреса. BIOS резервирует ряд диапазоновадресов портов ввода/вывода стандартных аппаратных компонентов персонального компьютера,которые не могут быть использованы другими периферийными устройствами.
2. Устройства ввода информации: клавиатура,мышь, манипуляторы
Клавиатура
Клавиатура пока является основным устройствомввода информации в компьютер. Это устройство представляет собой совокупность механическихдатчиков, воспринимающих давление на клавиши и замыкающих определенную электрическуюцепь. Наиболее распространены два типа клавиатур: с механическими и с мембраннымипереключателями. Внутри корпуса любой клавиатуры, помимо датчиков клавиш, расположеныэлектронные схемы дешифрации и микроконтроллер клавиатуры. Подключение клавиатурык системной плате осуществляется посредством либо 5-контактных разъемов DIN, применяющихсяв материнских платах формата AT, либо 6-контактных разъемов miniDIN (их иногда называютразъемами типа PS/2), которые применяются преимущественно в материнских платах форматаATX (форм-фактор плат), более современные клавиатуры подключаются к разъему USB.
В подавляющем большинстве современныхПК используется так называемая улучшенная (Enhanced) клавиатура (это название быловведено, чтобы отличить ее от клавиатуры, применявшейся на IBM XT). Она содержит101 или 104 клавиши.
Принцип действия
Клавиатура является одним из важнейших устройств, определяющим условия комфортабельной работы на компьютере. В неевстроен контроллер. Независимо от того, как механически реализован процесс нажатияклавиш, сигнал при нажатии клавиши регистрируетсяконтроллером клавиатуры (например, 8049)и передается в виде так называемого скэн-кода на материнскую плату. Скэн-код — этооднобайтное число, младшие 7 бит которого представляют идентификационный номер,присвоенный каждой клавише. На материнской плате персонального компьютера для подключенияклавиатуры также используется специальный контроллер. Для персональных компьютеровтипа AT обычно применяется микросхема типа UPI 8042.
Когда скэн-код поступает в контроллер клавиатуры (8042), то инициализируетсяаппаратное прерывание (IRQ1), процессор прекращает свою работу и выполняет процедуру,анализирующую скэн-код. Данное прерывание обслуживается специальной программой,входящей в состав ROM BIOS. При поступлении скэн-кода от клавиш сдвига (,)или переключателя (, )изменение статуса записывается в оперативнуюпамять. Во всех остальных случаях скэн-кодтрансформируется в код символа (так называемые коды ASCII или расширенные коды). При этом обрабатывающаяпроцедура сначала определяет установкуклавиш и переключателей, чтобы правильно получитьвводимый код («а» или «А»). Затем введенный код помещается вбуфер клавиатуры, представляющий собой область памяти, способную запомнить до 15вводимых символов, пока прикладная программа не может их обработать. Буфер организован по принципу FIFO(первый вошел — первый вышел).
Каждая клавиша генерирует два типа скэн-кода «код нажатия», когдаклавиша нажимается, и «код освобождения», когда клавиша опускается. Для«кодов нажатия» и «кодов освобождения»используется одна и та же цепочка битов, коды освобождения состоят из двух байтов,первый из которых всегда равен 0F0H.
Контролер на материнской плате может не только принимать, но и передаватьданные, чтобы сообщить клавиатуре различные параметры, например частоту повтора нажатой клавиши и др.
Контроллер 8049 отвечает не только да генерирование скэн-кодов, но он необходимдля выполнения функций самоконтроля и проверки нажатых клавиш в процессе загрузки системы. Процесс самоконтроля отображаетсяоднократным миганием трех индикаторов LED клавиатурыво время выполнения программы POST. Таким образом, неисправность клавиатуры выявляетсяуже на стадии загрузки персонального компьютера.
Мышь
Большинство фирм, производящих подобные устройства, обеспечивают совместимостьпо системе команд либо с Microsoft Mouse (две управляющие клавиши), либо с MouseSystems Mouse (три управляющие клавиши), а чаще всего с ними обеими. Мышь делаеточень удобным процесс управления такими широко распространенными в графических пакетахобъектами, как окна, меню, кнопки, пиктограммы и т. д.
Подавляющее число компьютерных мышек используют оптико-механический принципкодирования перемещения. С поверхностью стола соприкасается тяжелый, покрытый резинойшарик сравнительно большого диаметра. Ролики, прижатые к поверхности шарика, установленына перпендикулярных друг другу осях с двумя датчиками. Датчики, представляющие собойоптопары (светодиод-фотодиод), располагаются по разные стороны дисков с прорезями.Порядок, в котором освещаются фоточувствительные элементы, определяет направлениеперемещения мыши, а частота приходящих от них импульсов — скорость. Хороший механическийконтакт с поверхностью обеспечивает специальный коврик.
Более точного позиционирования курсора позволяет добиться оптическая мышь.Для нее используется специальный коврик, на поверхности которого нанесена мельчайшаясетка из перпендикулярных друг другу темных и светлых полос. Расположенные в нижнейчасти мыши две оптопары освещают коврик и по числу пересеченных при движении линийопределяют величину и скорость перемещения. Оптические мыши не имеют движущихсячастей и лишены такого присущего оптико-механическим мышам недостатка, как перемещениекурсора мыши рывками из-за загрязнения шарика. Разрешающая способность применяемогов мыши устройства считывания координат составляет 400 dpi (Dot per Inch) точек надюйм и выше, превосходя аналогичные значения для механических устройств.
При помощи мыши удобно выделять объекты, перемещать их, рисовать. Устройствомввода мыши являются клавиши, их обычно две или три. Электронная схема управлениямыши следит за ее перемещением, эти данные поступают в компьютер, обрабатываютсяпроцессором, который производит перемещение указателя мыши на экране дисплея. Приперемещении мыши по коврику тяжелый, покрытый резиной шарик приводится в движениеи вращает соприкасающиеся с ним валики вертикального и горизонтального перемещения.На этих валиках закреплены диски с прорезями. С разных сторон от диска установленыизлучатель света (светодиод) и приемник света (фототранзистор). При движении мышиприемник принимает световые импульсы и преобразует их в электрические сигналы. Поколичеству импульсов определяются координаты мыши при ее движении по вертикали игоризонтали.
Существуют беспроводные мышки, которые осуществляют передачу данных в радиоили инфракрасном диапазоне с расстояния 2 — 3 метра
Трекбол
Трекбол (Trackball) представляет собой «перевернутую» мышь, так как у негоприводится в движение не корпус устройства, а только его шар увеличенного по сравнениюс мышью размера, что позволяет существенно повысить точность управления курсором.Первое устройство подобного типа было разработано компанией Logitech. Миниатюрныетрекболы получили сначала широкое распространение в портативных ПК. Встроенные трекболымогут располагаться в самых различных местах корпуса ноутбука, внешние крепятсяспециальным зажимом, а к интерфейсу подключаются кабелем. Большого распространенияв ноутбуках трекболы не получили из-за своего недостатка — постепенного загрязненияповерхности шара и направляющих роликов, которые бывает трудно очистить и, следовательно,вернуть трекболу былую точность. Впоследствии их заменили тачпады и трекпойнты.
Трекпойнт
Трекпойнт (TrackPoint) — координатное устройство, впервые появившееся в ноутбукахIBM, представляет собой миниатюрный джойстик с шершавой вершиной диаметром 5-8 мм.Трекпойнт — рычажок, расположенный на клавиатуре между клавишами, управляется нажатиемпальца.
Тачпад
Тачпад (touchpad) — сенсорная панель, с помощью которой курсор на экране двигаетсясогласно перемещению пальца по этой панели. Некоторые так привыкают к тачпаду, чтодаже дома используют его вместо мыши.
3.Накопитель на жестких магнитных дисках
Накопитель на жестких магнитных дисках хранит всю необходимую для работы компьютераи прикладных программ информацию, с него загружается в оперативную память компьютераего операционная система.
В основе функционирования винчестера лежит принцип магнитной записи (считывания)сигналов на вращающийся диск, покрытый магниточувствительным рабочим слоем. Каждаясторона диска, покрытая рабочим слоем, называется рабочей поверхностью.
При записи цифровые данные преобразуются в аналоговые электрическиесигналы, создающие с помощью головки записи участки с различной намагниченностью,расположенные вдоль окружности по всей рабочей поверхности вращающегося диска (такназываемые треки или дорожки). Размеры участков и расстояние между соседними дорожкамиопределяют поверхностную плотность записи данных.
При чтении участки диска движутся под магнитной головкой и индуцируют в нейэлектрические сигналы, которые преобразуются в цифровые данные.
Типичный современный накопитель на жестких дисках состоит из блока (пакета)дисков, шпиндельного двигателя привода вращения дисков, блока головок записи/чтения,предусилителя-коммутатора головок и контроллера (печатной платы с электронными схемамиуправления).
В нерабочем состоянии головка прижимается поводком к поверхности диска в специальнойнерабочей зоне, называемой зоной парковки. Первые модели винчестеров требовали выполненияспециальной операции парковки головок, инициируемой программным обеспечением.
В современных винчестерах операция вывода головок в зону парковки выполняетсяавтоматически при снижении скорости вращения двигателя ниже номинальной или припропадании напряжения питания, а вывод головок в рабочую зону разрешается толькопосле достижения номинальной скорости вращения дисков. Зазор между головкой и поверхностьюдиска в современных винчестерах составляет несколько сотых долей микрометра.
В большой степени максимальная плотность записи зависит от конструкции и характеристикголовок записи/чтения. Раньше в винчестерах использовались магнитные головки, представляющиесобой миниатюрные катушки индуктивности, намотанные на магнитный сердечник.
Позднее стали использовать тонкопленочные магнитные головки, а в современныхвинчестерах используются высокочувствительные магниторезистивные головки чтения(принцип их работы основан на эффекте анизотропии некоторых полупроводниковых материаловв магнитном поле), конструктивно объединенные с тонкопленочными головками записи.Головки собираются в блок.
В современных винчестерах используется система позиционирования блока головокс поворотной подвижной катушкой, помещенной в зазоре мощного постоянного магнита,которая и является исполнительным элементом системы позиционирования.
В основе этой системы лежит предварительная (произведенная при изготовлениивинчестера) запись специальных цифровых последовательностей, которые называютсясервометками, в специально отведенные для этого на каждой дорожке сектора. Во времяработы контроллер винчестера ориентируется на эти сервометки, вырабатывая управляющиесигналы, подаваемые в подвижную катушку, и поворачивает головку таким образом, чтобыона установилась точно над дорожкой, а затем удерживает ее на этой дорожке до поступлениякоманды о переводе головки в новое положение.
Не менее 16% суммарной рабочей поверхности дисков отводится под служебнуюинформацию, которая обеспечивает нормальную работу винчестера. В первую очередьэто инженерная зона (секторы конфигурации, таблицы дефектов, рабочие программы винчестера).
Оставшееся дисковое пространство делится на зоны (для большинства винчестеров– от 8 до 20) с различным числом секторов в каждой зоне. Не все секторы используютсяв качестве рабочих. Часть секторов являются запасными. При первоначальной разметкедисков на заводе-изготовителе производится проверка поверхности диска и информацияоб обнаруженных дефектных участках записывается в таблицу дефектов, которая размещаетсяв инженерной зоне.
В процессе функционирования винчестера эта таблица используется для переназначения(переадресации) обращения к дефектным участкам (секторам) на обращение к хорошимсекторам, которые как раз и размещаются на запасных дорожках. Ввиду важности служебнойинформации инженерная зона различных моделей накопителей может содержать от 2 до6 копий, а сервометки прописываются с запасом по количеству и более сильным магнитнымполем.
В процессе эксплуатации происходит постепенное разрушение магнитной поверхностидиска, начинают появляться новые сбойные секторы, что приводит к так называемомувырождению магнитной среды. О неполадках такого рода свидетельствуют периодическивозникающие ошибки чтения/записи.
Износ или повреждение подшипников шпиндельного двигателя приводит к тому,что пластины начинают слегка покачиваться. Это вызывает попеременное увеличение/уменьшениерасстояния между головками и поверхностями дисков, что является причиной роста числа«мягких» ошибок и увеличения вероятности падения головок на поверхности дисков.
Если двигатель винчестера начал шуметь или прослушиваются периодические ударымеханизма позиционирования головок об ограничители значит, довольно скоро можноожидать лавинообразных отказов в работе винчестера.
Нередко причиной выхода винчестеров из строя является нарушение их температурногорежима работы. Скорость вращения пакетов дисков достигает 15 000 об/мин, а для улучшениядинамических характеристик применяются достаточно мощные шпиндельные двигатели иприводы позиционирования, которые выделяют значительное количество тепла. Крометого, тепло выделяет опорный подшипник.
Головки «летят» над диском на высоте всего лишь 0,1...0,12 мкм. Любой ударможет сократить это расстояние до нуля? Дорожка движется под магнитной головкойсо скоростью 90...125 км/час, 1 мм дорожки – это около 2 Кб данных.
Даже если повреждение невелико, выбитые при ударе частицы магнитной средыеще долго будут летать внутри корпуса диска, создавая опасность новой аварии, причембольшая часть мелких частиц вообще не улетает с диска, оставаясь «примагниченной»к его поверхности и приводя к дальнейшему разрушению рабочей поверхности.
Кроме того, при соприкосновении головки с поверхностью диска происходит мгновенныйперегрев головки. Совместно с радиальным механическим воздействием на головку это,как правило, приводит к обрыву головки.
В большинстве современных винчестеров реализована технология самотестированияSMART (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology). Ее суть заключается втом, что винчестер самостоятельно диагностирует свое состояние, заранее предупреждаяо предаварийном состоянии. Большинство SMART HDD контролируют от 3 до 30 атрибутовнадежности, например, количество позиционирований головок, высоту их полета надповерхностью диска, число переназначений сбойных секторов, число ошибок позиционированияи т.п.
4. Видеоподсистема компьютера. Видеокарта. Видеопамять компьютера.
Видеокарта
Для обработки видео информации и управлением вывода на экран монитора служитвидеоадаптер или видеокарта. На современные видеокарты устанавливается видеопроцессор.Видеопроцессор представляет собой сложную схему управления, сравнимую по сложностис центральным процессором. Видеопроцессор, работающий с видеопамятью, обладает высокойпроизводительностью. Пересылка данных между видеопроцессором и видеопамятью производитсяпо внутренней шине, это быстрые передачи. Пересылка из основной памяти в видеопамятьобычно происходит значительно медленнее, поскольку блок данных из основной памятидолжен пройти по системной шине данных (которая уступает шине видеоданных по разрядности),затем через интерфейс видеошины, попасть на внутреннюю шину видеоадаптера и лишьзатем – в видеопамять. При пересылке данных между двумя шинами необходимо синхронизироватьработу главного процессора с видеопроцессором. На рис. 1 изображена упрощенная модельработы основных компонентов видеосистемы компьютера.
/>
Рис. 1. Примерная архитектура видеосистемы
Видеопроцессор производит обработку графических функций, требующих интенсивных вычислений, в результате, разгружаетсяцентральный процессор вычислительной системы. Отсюда следует, что видеопроцессор должен оперировать своей собственнойпамятью. Тип памяти, в которой хранятсяграфические данные называется буфер кадра (frame buffer). В системах, ориентированнных на обработку 3D приложениий,требуется еще и наличие специальной памяти, называемо z-буфер (z-buffer), в которомхранится информация о глубине изображаемойсцены. В некоторых системах может иметься собственнаяпамять текстур (texture memory), т.е. память для хранения элементов, из которых формируются поверхности объекта. Наличиетекстурных карт ключевым образом влияетна реалистичность изображения трехмерных сцен.
Видеопамять компьютера
Для обеспечения скоростного обмена данными с видеосистемой компьютера используетсяспециальная двухвходовая память VRAM. В такой памяти чтение данных из памяти длявоспроизведения их на экране видеомонитора и обновление данных процессором можетосуществляться одновременно. Альтернативой VRAM считается память WRAM, также двухпортовая. От традиционной, типа VRAM, она отличается большей на 50% скоростью доступаи наличием встроенной поддержки ряда массовых операций. В частности, она ускоряетпересылки выровненных данных, что особенно удобно при копировании экранного буферакак целого и операциях заливки прямоугольных областей. Более плотная упаковка транзисторовна кристалле обусловила снижение себестоимости этой памяти по сравнению с VRAM приблизительнона 20%.
Еще один способ увеличения скорости обмена данными с памятью — увеличениеширины шины доступа к памяти. Видеоадаптеры с 32-разрядной шиной данных применяютсясейчас только в системах начального уровня. Стандартом на сегодняшний день стали64-разрядные видеоадаптеры и 128 — разрядные. Для того чтобы использовать все линиишины данных, надо либо сформировать многобанковую память большого объема на микросхемахDRAM или EDO DRAM, либо воспользоваться памятью multibank DRAM (MDRAM). АрхитектураMDRAM обеспечивает ширину шины 128 разрядов при общем объеме памяти всего 2 Мбайт.Применение многобанковой памяти в графических картах имеет смысл еще и потому, чтоее можно наращивать относительно небольшими квантами. Это единственная архитектура,позволяющая имея на плате всего 2 Мбайта памяти, обеспечить поддержку режима TrueColor при разрешении1024x768. Графическая плата на основе традиционных микросхем DRAM или VRAM для работыв этом режиме должна содержать 4 Мбайта памяти. У некоторых видеоадаптеров, предназначенныхдля САПР, ширина шины данных 192 разряда. В них вместо одного видеопроцессора используетсясразу три, по числу базовых цветов. Такиеплаты плохо приспособлены для данных мультимедиа, поскольку преобразование цветовыхкоординат занимает в них слишком много времени. Альтернативой MDRAM служит технологияRambus, которая также позволяет повысить скорость обмена с памятью при увеличенииширины шины. Для персональных компьютеров из-за наличия КЭШ- памяти эффект от применения EDO DRAMв качестве основной памяти, как правило, не превышает нескольких процентов, дляграфических плат он весьма значителен. Еще большее ускорение дает память SGRAM (вариантSDRAM, адаптированный для применения в видео картах).
Несмотря на то что стоимость микросхем памяти постоянно снижается, вклад памятивидеоадаптера в общую стоимость системы продолжает оставаться заметным. В то жевремя во многих типичных офисных приложениях, работающих в текстовом режиме, онаиспользуется всего на 10 20%., так нельзяли в качестве графической памяти применять основную память компьютера, тем болеечто с появлением EDO DRAM, BEDO DRAM или SDRAM процесс чтения из нее значительноускорился? Оказывается можно. Это решение называется Unifited Memory Architecture(UMA). В архитектуре UMA часть основной памяти компьютера резервируется для графики,а отдельный кадровый буфер отсутствует вовсе. Такое решение позволяет разработчикаминтегрированных материнских плат существенно сэкономить на графической подсистеме.
Для приложений, где генерацию всего изображения на экране полностью выполняетЦП, такая организация видеоподсистемы имеет существенные преимущества.
5. Видео монитор
Видео монитор — это устройство, предназначенное для преобразования электрическихсигналов, поступающих от видеоадаптера, в изображение на экране. Мониторы классифицируются:
-по совместимости с видео адаптерами определённых типов (CGA, EGA, VGA);
-по типу входного интерфейса (цифровой или аналоговый);
-по типу экрана (ЭЛТ, жидкокристаллический экран, экран электролюминесцентный,
плазменный) и т.д.
-Электронно-лучевая трубка
Изображение на лицевой панели электронно-лучевой трубки создают светящиесяточки люминофора (pixel — picture element). Среднее расстояние между точками называют“зерном”. Зерно может иметь размеры от 0,25 до 0,41 мм. Распространены типовыеразмеры экранов: 14,15,17,19,20,21, 28 и 33 дюйма по диагонали. 14 — дюймовый экранимеет 265 мм в ширину. При разрешении 800x600 отображается 800 точек в строке. Расстояниемежду точками определится как 265/800 = 0,32 мм. В цветных мониторах каждый пиксель образовантриадой люминофоров, излучающих в красном, зеленом и синем цвете. Люминофор каждогоцвета освещается лучом своей электронной пушки. Луч движется по строкам, интенсивностьлуча изменяется модулятором, это приводит к изменению яркости светового пятна наэкране. Движение луча происходит по определенному пути- растру. Такие дисплеи называютрастровыми. Разрешающая способность мониторазависит от числа элементов изображения 640x480, 800х600 или 1024x768 пикселей.
Сегодня большинство мониторов выпускаются на ЭЛТ с теневой маской (они еще называются трубками с плоским экраном) или сапертурной решеткой это мониторы Trinitron фирмы Sony. Остальные производители,закупившие лицензию на эту технологию, выпускают продукцию под собственными торговыми марками.
Экран трубки с теневой маской покрыт точками люминофора, на которые электронныйлуч попадает через маску с небольшими круглымиотверстиями. Приводимый в описании монитора параметр «шаг точки» обозначает расстояние между точкамилюминофора одного цвета (красного, зеленогоили синего). Чем меньше это расстояние, тем ближе точки друг к другу и тем резчеизображение.
/>
Рис. 2. Лучи фокусируются в отверстиях теневой маски
В трубках с апертурной решеткой люминофор нанесен в виде вертикальных полосок,разделенных тонкими металлическими проволочками. Электронный луч, попадая на полоски,вызывает их свечение. Для этой конструкции трубок под шагом подразумевается расстояние между полосками одногоцвета. Чем меньше это расстояние, тем лучше.
Hельзя сравнивать размер шага для трубок разных типов: шаг точек («триад»)трубки с теневой маской измеряется по диагонали, в то время как шаг апертурной решетки,иначе называемый горизонтальным шагом точек, — измеряется по горизонтали. Поэтому при одинаковом шаге точектрубка с теневой маской имеет большую плотностьточек, чем трубка с апертурной решеткой. Оба типа трубок имеют свои преимущества и своих сторонников. Трубкис теневой маской дают более точное и детализированноеизображение, поскольку свет проходит через отверстия в маске с четкими краями. Поэтомумониторы с такими ЭЛТ хорошо использовать приинтенсивной и длительной работе с текстами и мелкими элементами графики,например, в CAD/CAM-приложениях. Трубки типа Trinitron имеют более ажурную маску, она меньше заслоняет экран и позволяетполучить более яркое, контрастное изображениев насыщенных цветах. Мониторы с такими трубками хорошо подходят для настольных издательскихсистем и других приложений, ориентированных на работу с цветными изображениями. Посмотрев навключенный экран, особенно на белый фон,можно заметить тонкие нити, идущие поперек решетки, они стабилизируют ее положение. Из-за более сложнойконструкции дисплеи с такими трубками обычнонемного дороже аналогичных моделей с теневой маской.
Конечно оптимальная разрешающая способность зависит от размеров экрана: например,разрешение 1024x768, установленное на 15-дюймовом мониторе, может повысить напряжение глаз, в то время как на17-дюймовом дисплее оно будет вполне уместно. Измеряемая в герцах частота сменыкадров (или частота регенерации изображения)показывает, как быстро могут быть перерисованы все пикселы экрана. Более высокая частота смены кадров делает изображениеустойчивее, а пониженная частота можетпривести к нежелательному мерцанию — едва заметному, но вызывающему излишнее напряжениеглаз. Максимальная частота регенерации изображениязависит от установленной разрешающей способности, а при заданном разрешении — определяет качество изображения.
Ассоциация стандартов видеоэлектроники (Video Electronics Standards Association,VESA) установила частоту смены кадров 85 Гц в качестве стандарта для свободных отнежелательного мерцания мониторов.
Разрешающая способность и частота регенерации — основные параметры для согласования монитора и видеоплаты компьютернойсистемы. Важным параметром монитора является ширина полосы частот. Это важный показательдля определения лучшей разрешающей способностиустройства. Полоса частот дисплея характеризуетего возможности в отношении поступающего с графической карты видеосигнала. Чем выше разрешающая способностьи частота смены кадров, тем шире требуемаяполоса пропускания.
Практически все мониторы оснащены легкодоступными органами управления на переднейпанели. Это могут быть кнопки или вращающиесяручки. Стало стандартом цифровое управление монитором. Благодаря цифровым системамувеличивается точность настройки, которая,как правило, и сохраняется на более длительный период. У современных дисплеев расширенперечень регулировок. Экранный интерфейс управления устройством в целом облегчаетнастройку и обеспечивает немедленную обратную связь с монитором, повышая вероятность более точной его настройки.
Основные функции управления включают в себя: установку горизонтального и вертикальногоразмера изображения, а также его сдвиг по вертикали и горизонтали, размагничивание, регулировку яркости и контраста.Большинство мониторов имеют дополнительныефункции управления геометрией изображения: устранение подушкообразных и трапецеидальных искажений,сжатие/растяжение прямоугольника экранаи поворот изображения. В некоторых устройствах возможно также устранение муара (комбинационных искажений), регулировкасведения луча, цветовой температуры и уровней усиления красного, зеленого и синегокомпонентов сигнала.
Для мониторов с трубкой типа Trinitron:
MPH = горизонтальный размер/горизонтальныйшаг полосок;
MPV = вертикальный размер/вертикальный шаг полосок.
Для 17-дюймового монитора с трубкой типа Trinitron, шагом полосок 0,25 мм по горизонтали и 0,40 мм повертикали и размером используемой области экрана 320x240 мм получим максимальнуюреальную разрешающую способность 1280x600 точек: 320/0,25 = 1280 MPH; 240/0,40=600 MPV.
Движением луча по диагонали управляет строчная развертка, по вертикали — кадроваяразвертка.
/>
Рис.3. Кадровая и строчная развертка
Сигналы обратного хода возвращают луч в начало строки или кадра. На рисунке 3 приведены диаграммы пилообразногонапряжения строчной и кадровой развертки.
Видеосигнал поступает в монитор с платы адаптера. Вместе с видеосигналом поступаютсигналы вертикальной и горизонтальной синхронизации.
Частота кадровой развертки определяет частоту (обновления) регенерации экрана.Чем выше частота регенерации, тем меньше заметно мерцание экрана. Чем меньше размерзерна люминофора, и чем больше строк прочерчивает луч за время кадровой развертки,тем более четким будет изображение. Стандартами кадровой частоты являются частоты56, 60, 72, 75, 85 Гц. Верхняя граница кадровой частоты ограничена, т.к. считается,что мерцание на частотах свыше 110 Гц глаз человека уже не различает. Частота строкопределяется в Кгц, как произведение частоты кадров на количество строк в кадре,например, 800(строк) х 85 =68КГц.
Полоса пропускания видеосигнала определяет насколько высокие частоты можетсодержать видеосигнал. Определить полосу пропускания можно как произведение количестваточек в строке на частоту строчной развертки, так как за период горизонтальной разверткилуч должен изменить значение интенсивности на каждом пикселе.
Чтобы улучшить качество изображения может применяться чересстрочная развертка.При строчной развертке за период кадровой развертки выводятся все строки кадра.При чересстрочной развертке вывод кадра осуществляется за два периода кадровой развертки(через строку) — это позволяет увеличить разрешение экрана, но приводит к появлениюмерцания экрана.
Все современные мониторы можно разделить на 3 группы:
-Мониторы с фиксированной частотой;
-Мониторы с несколькими фиксированными частотами;
-Мультичастотные или мультисканирующие мониторы.
Мониторы с фиксированной кадровой частотой менее критичны к значениям частотсинхроимпульсов, т.к. используется лишь одна частота синхронизации импульсов.
Мониторы с несколькими фиксированными частотами допускают использование наборачастот кадровых и строчных синхроимпульсов.
Мультичастотные мониторы настраиваются на произвольную частоту синхросигналав заданном диапазоне 30-64 кГц — строчной и 50-100 Гц кадровой развертки.
6. Современные ЖК мониторы
Современные ЖК мониторы также называют плоскими панелями, активными матрицамидвойного сканирования, матрицами с тонкопленочными транзисторами. Сейчас они становятсяпопулярными привлекает их изящный вид, компактность, экономичность (15-30 ватт).Ранее инертные, теперь они обеспечивают качественное контрастное, яркое, отчетливоеизображение. Первые матричные технологии, так называемые пассивные матрицы неплохоработали с текстовой информацией, но при резкой смене картинки на экране оставалисьтак называемые «призраки». Поэтому такого рода устройства не подходилидля просмотра видеофильмов и для игр. Так как жидкокристаллическая технология адресуеткаждый пиксель отдельно, четкость получаемого текста выше в сравнении с мониторомна ЭЛТ.
Существует два вида ЖК мониторов: DSTN (dual-scan twisted nematic — кристаллическиеэкраны с двойным сканированием) и TFT (thin film transistor на тонкопленочных транзисторах),также их называют соответственно пассивными и активными матрицами. Такие мониторысостоят из следующих слоев: поляризующего фильтра, стеклянного слоя, электрода,слоя управления, жидких кристаллов, ещё одного слоя управления, электрода, слоястекла и поляризующего фильтра.
/>
Рис. 4. Устройство TFT монитора (thin film transistor — на тонкопленочныхтранзисторах)
В первых компьютерах использовались восьмидюймовые (по диагонали) пассивныечерно-белые матрицы. С переходом на технологию активных матриц, размер экрана вырос.Практически все современные ЖК мониторы используют панели на тонкопленочных транзисторах,обеспечивающих яркое, четкое изображение.
Как работает ЖК монитор
/>
Рис.5. Сетка пикселей экрана жидкокристаллического монитора
Поперечное сечение панели на тонкопленочных транзисторах представляет собоймногослойный бутерброд (рис. 4). Крайний слой любой из сторон выполнен из стекла.Между этими слоями расположен тонкопленочный транзистор, панель цветного фильтра,обеспечивающая нужный цвет — красный, синий или зеленый, и слой жидких кристаллов.Вдобавок ко всему существует флуоресцентная подсветка, освещающая экран изнутри.
При нормальных условиях, когда нет электрического заряда, жидкие кристаллынаходятся в аморфном состоянии. В этом состоянии жидкие кристаллы пропускают свет.Количеством света, проходящего через жидкие кристаллы, можно управлять с помощьюэлектрических зарядов — при этом изменяется ориентация кристаллов.
Как и в традиционных электроннолучевых трубках, пиксель формируется из трехучастков — красного, зеленого и синего. А различные цвета получаются в результатеизменения величины соответствующего электрического заряда (что приводит к поворотуплоскости поляризации жидкого кристалла и изменению яркости проходящего световогопотока).
TFT экран состоит из целой сетки таких пикселей, где работой каждого цветовогоучастка каждого пикселя управляет отдельный транзистор (рис.5). Для нормальногообеспечения экранного разрешения 1024х768 (в режиме SVGA) жидкокристаллическая панельдолжна располагать именно таким количеством пикселей.
Преимущества ЖК мониторов
ЖК мониторы более экономичные;
У них нет электромагнитного излучения в сравнении c ЭЛТ-мониторами;
Они не мерцают, как ЭЛТ-мониторы;
Они легкие и не такие объемные;
У них большая видимая область экрана.
Сведение лучей: в жидкокристаллических мониторах каждыйпиксель включается или выключается отдельно, поэтому не возникает никаких проблемсо сведением лучей, в отличие от ЭЛТ-мониторов, где требуется безукоризненная работаэлектронных пушек.
Сигналы: ЭЛТ-мониторы работают на аналоговых сигналах,а ЖК мониторы используют цифровые сигналы.
Отсутствие мерцания: качество изображения на ЖК мониторах выше,а при работе нагрузка на глаза меньше — сказывается ровная плоскость экрана и отсутствиемерцания.
«Мертвые пиксели» — на плоской панели может не работатьнесколько пикселей. Распознать их не трудно — они всегда одного цвета. Они возникаютв процессе производства и восстановлению не подлежат. Приемлемым считается, когдав мониторе не более трех таких пикселей. В некоторых случаях, такие пиксели могутраздражать — особенно при просмотре фильмов.
Контрастность — сами по себе пиксели не вырабатываютсвет, они лишь пропускают свет от подсветки. И темный экран вовсе не означает, чтоподсветка не работает — просто свет не проникает через экран. Под контрастностьюLCD монитора подразумевается, сколько уровней яркости могут создавать его пикселы.Обычно, контрастность 250:1 считается хорошей.
Яркость жидкокристаллического дисплея может быть выше яркости электронно-лучевойтрубки. Но, как правило, яркость ЖК монитора не превышает 225 кандел на квадратныйметр — это сопоставимо с яркостью телевизора.
Размер экрана — как и у ЭЛТ-мониторов, размер ЖК мониторовопределяются диагональю. Однако заметим, что у ЖК мониторов нет черной рамочки,какая имеется у ЭЛТ-мониторов. Поэтому экран в 15,1 дюйма на самом деле показывает15,1 дюйма (обычно это соответствует разрешению 1024х768). ЖК монитор размером 17,1дюйма будет работать в разрешении 1280х1024.
Плазменные дисплеи
Плазменную технологию ожидает большое будущее. Технология PALC (plasma addressedliquid crystal) позволяет объединить преимущества плазменных и ЖК-дисплеев с активнойматрицей. Данный подход реализован при производстве больших мониторов.
7. Сканер
Сканером (от английского scanner) называется устройство, позволяющее вводитьв ЭВМ изображения. Ввод изображений может потребоваться при копировании, размножениидокументов, для их редактирования с последующим размножением, а также в системаххранения и поиска изображений. При комплектации сканером и высококачественным печатающимустройством персональный компьютер превращается в автоматизированное рабочее место(АРМ) для подготовки и издания различных информационных материалов.
Принцип работы
Сканер функционально состоит из двух частей: сканирующего механизма (engine)и программной части (TWAIN-модуль). Оригинал располагается на прозрачном неподвижномстекле, вдоль которого передвигается сканирующая каретка с источником света.
Оптическая система сканера состоит из объектива и зеркал или призмы, которая проецирует световой поток от сканируемого оригиналана приёмные элементы. Здесь осуществляетсяразделение информации о цветах. Для различения цветов используется три параллельныхлинейки (линейка приемников на каждый цвет). На каждой линейке расположено равноеколичество светочувствительных элементов, принимающихинформацию об интенсивности «своих» цветов. Приёмный элемент преобразуетуровень освещенности в уровень напряжения (все ещё аналоговую информацию). Далее аналоговый сигналпоступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). С АЦП информация выходит уже в двоичном виде и, послеобработки в контроллере сканера, обрабатываетсяпрограммой драйвером сканера (TWAIN-модуль). С драйвером взаимодействуют прикладные программы, в которых осуществляетсяобработка введенной графической информации. Аналогично копировальному устройствусканер освещает оригинал белым светом с протяженного осветителя, а светочувствительныемногоэлементные фотоприемные линейки (датчик сканера) с определенной частотой производитзамеры интенсивности отраженного оригиналом света. Число фотоприемников в линейкеможет составлять 2000 и больше. Оптическая разрешающая способность сканера определяетсярасстоянием между фотоприемниками в линейке (чем их больше, тем разрешение лучше).Обычно оно не превышает 300 — 1200 точек на дюйм. Более высокие значения достигаютсяблагодаря интерполяции, сглаживающей неровности контуров, именно эти значения указываютпроизводители в документации (1600, 2400).
В процессе сканирования напряжение, создаваемое фоточувствительным элементом,преобразуется в двоичный код. Если сканер при каждом замере регистрирует всего одинбит информации, то он распознает только два цвета — черный и белый. В зависимостиот количества битов соответствующих одному замеру, сканер может распознавать большееили меньшее количество оттенков от черного до белого. так, при 4-битовом кодированииимеется возможность распознавания 16 различных оттенков. Восьмибитовое кодированиеобеспечивает возможность распознавания 256 градаций серого цвета.
Для кодирования цветопередачи можно также использовать 8 бит, но при этомсканированные изображения фотографий получается низкого качества. Увеличение количествараспознаваемых цветов приводит к значительным затратам дисковой памяти. Для храненияизображения с разрешением 300 dpi формата А4 требуется памяти 16 МВ при качествеHigh Color (16 битное кодирование), при качестве True Color ( 24- битное кодирование)- 24 МВ. Для экономии дискового пространства обычно применяют методы сжатия данных.
При сканировании цветных изображений обычно используется цветовая модель RGB(красный, зеленый, синий). Сигнал, соответствующий каждому основному цвету, обрабатываетсяотдельно.
Для получения лучшего качества копии введенного изображения следует выбратьсканер и программное обеспечение, обеспечивающие работу в режиме воспроизведенияшкалы яркости изображения.
Воспроизведение 256 оттенков цвета (8 бит на каждый цвет) оказывается максимальнодостаточным, так как человеческий глаз не в состоянии различить более «тонкую»градацию. В случае обеспечения такого уровня переходы между участками изображенияс различной яркостью становятся плавными и выглядят вполне естественно.
Существуют специализированные сканеры. Например Cлайд-сканеры — устройства,которые предназначены для работы с позитивной и негативной пленкой. Обычные сканерытоже позволяют выполнять слайд-сканирование, только для этого они имеют встроенныйили поставляемый дополнительно модуль для сканирования слайдов, который обеспечиваетзаднюю подсветку и другие функции, необходимые для сканирования прозрачных пленок.
При сравнении разных моделей сканеров необходимо обращать внимание на оптическуюразрешающую способность (а не интерполяционное разрешение). Оптическое разрешениедолжно быть не меньше, чем у принтера.
Основные параметры и характеристики сканеров.
-Разрешение.
Разрешение характеризует величину самых мелких деталей изображения, передаваемыхпри сканировании без искажений. Измеряется обычно в dpi — числе отдельно видимыхточек на дюйм изображения (dot per inch). Существует несколько видов разрешения,указываемого производителем сканеров.
Оптическое разрешение определяется плотностью элементов в ПЗС линейке и равноколичеству элементов ПЗС-линейки, деленному на ее ширину. Оно является самым важнымпарамером сканера, определяющим детальность получаемых с его помощью изображений.В силу этого не всегда приводится в рекламной информации производителем или продавцомсканера, стремящимся завысить его реальные характеристики. В массовых моделях сканеровобычно оно бывает равно 100 или 200 для ручных и рулонных сканеров и 300, 600 или1200 dpi для планшетных сканеров. Сканирование всегда следует выполнять с разрешением,кратным оптическому, при этом интерполяционные искажения будут минимальны. Еслиже, например, на сканере с 300 dpi надо отсканировать изображение с 200 dpi, тооптимальнее будет выполнить сканирование с 300 dpi, а затем программным путем впакете обработки (Adobe Photoshop, Paint Shop Pro, Ulead Photo Impact, Thumbs Plusи т. п.) понизить разрешение до 200 dpi.
Механическое разрешение определяет точность позиционирования каретки с ПЗС-линейкойпри перемещении вдоль изображения. Механическое разрешение обычно в 2 раза большеоптического, что дает повод изготовителю сканера вводить в заблуждение покупателятем, что сканер имеет «оптическое разрешение 300х600 dpi», хотя без интерполяциина таком сканере можно сканировать только с разрешением 300 dpi.
Интерполяционным называется разрешение, полученное путем 16-кратного программногоувеличения изображения. Оно не несет в себе абсолютно никакой дополнительной информацииоб изображении по сравнению с реальным разрешением, причем в специализированныхпакетах операция масштабирования и интерполяции выполняется зачастую качественнее,чем драйвером сканера.
Глубина цвета, или разрядность.
Глубина цвета, или разрядность, характеризует количество бит, применяемыхдля хранения информации о цвете каждого пиксела. Для черно-белого сканирования достаточноодного разряда, для сканирования оттенков серого достаточно 8 разрядов, для сканированияцветных изображений — 24 разряда (по 8 бит на хранение каждой из RGB-компонент цветапиксела). Профессиональные и полупрофессиональные сканеры имеют и внешнюю разрядность30 или 36 бит, а некоторые модели и до 48 бит. дополнительные биты используютсядля цветовой коррекции полученных изображений.
Диапазон оптических плотностей.
Диапазон оптических плотностей — это динамический диапазон сканера, которыйво многом определяется его разрядностью. Он характеризует возможность сканера правильнопередавать изображения с большим или с очень маленьким разбросом яркости (возможностьотсканировать «фото черной кошки в темной комнате»). Вычисляется как десятичныйлогарифм от отношения интенсивности падающего на оригинал света к интенсивностиотраженного света, и обозначается как D. Значение 0,0 D соответствует идеально беломуцвету, значение 4,0 D — идеально черному. У реального сканера этот диапазон зависитот разрядности. У 36-битного сканера динамический диапазон не превышает 3,6 D, у30-битного — 3,0 D. Сканируемые изображения обычно обладают диапазоном до 2,5 Dдля фотографий и 3,5 D для слайдов.
Размер области сканирования
Для бытовах планшетных сканеров наиболее распространены форматы A4 и (существеннореже) A3
Количество проходов сканирования
Цветное сканирование за один проход стало нормой. В старых, трехпроходныхмоделях одна линейка фотодатчиков трижды проходит вдоль оригинала, по проходу навыборку красного, зеленого и голубого цвета. Данные собираются вместе после завершенияпоследнего прохода. В однопроходном сканере ПЗС считывает все три цвета за одинпроход.
Однопроходное сканирование не гарантирует улучшения резкости изображения илискорости сканирования, хотя в среднем однопроходные сканеры работают быстрее. Изготовителичасто заявляют, что конструкция однопроходных сканеров обеспечивает лучшую регистрацию,имея в виду, что одновременное считывание всех трех цветов для каждого пиксела избавляетот проблем с совмещением. Однако, в действительности, существуют трехпроходные сканеры,которые обеспечивают лучшую регистрацию, чем некоторые однопроходные модели, поскольку,трехпроходные модели могут компенсировать различные уровни преломления красного,зеленого и голубого цветов (в результате этого эффекта возникает радуга).
Список литературы
1. Гук. М.Ю. Аппаратныесредства IBM PC: Энциклопедия, 3-е изд.-СПб: Питер, 2006 — 1072с.
2. Цилькер Б.Я., Орлов С.А. Организация ЭВМ и систем: Учебникдля вузов.- СПб.: Питер 2006. — 672с.
3. Мелехин В.Ф. Павловский Е.Г. Вычислительные машины, системыи сети: Учебник.- М.: Издательский центр «Академия»,2006. — 560с
4.Леонтьев В.П. Новейшая энциклопедия персонального компьютера: Энциклопедия.- М.: ОЛМА-ПРЕСС, 2006. — 869с
5.Таненбаум Э.С. Архитектура компьютера. Классика computer science.4-е изд.- СПб.: Питер, 2006. — 704с.