Элементы памяти ЭВМ: ОЗУ (статическая и динамическая), ПЗУ, ППЗУ, КЭШ память, контроллер КЭШа.

1.Назначение микросхем памяти и их разновидности.

Компактная микроэлектронная «память» широко применяется в современной электронной аппаратуре самого различного значения. Память определяют как функциональную часть ЭВМ, предназначенную для записи, хранения и выдачи команд и обрабатываемых данных. Комплекс технических средств, реализующих функцию памяти, называют запоминающим устройством (ЗУ).
Для обеспечения работы процессора (микропроцессора) необходимы программа, т.е. последовательность команд и данные, над которыми процессор производит предписываемые командами операции. Команда и данные поступают в основную память ЭВМ через устройство ввода, на выходе которого они получают цифровую форму представления, т.е. форму кодовых комбинаций (0 и 1). Основная память, как правило, состоит из ЗУ двух видов – оперативного (ОЗУ) и постоянного (ПЗУ).
ОЗУ предназначено для хранения переменной информации, оно допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процессором вычислительных операций с данными. Это значит, что процессор может выбрать (режим считывания) из ОЗУ код команды и данные и после обработки поместить в ОЗУ (режим записи) полученный результат. Причём возможно размещение в ОЗУ новых данных на местах прежних, которые этом случае перестают существовать. Таким образом, ОЗУ может работать в режимах записи, считывания и хранения информации.
ПЗУ содержит информацию, которая не должна изменятся в ходе выполнения процессором программы. Такую информацию составляют стандартные подпрограммы, табличные данные, коды физических констант и постоянных коэффициентов и т.п. И эта информация заносится в ПЗУ предварительно, например, путём пережигания легкоплавких перемычек в структуре ПЗУ, и в ходе работы процессора может только считываться. Таким образом, ПЗУ работает только в режимах хранения и считывания.
Функциональные возможности ОЗУ шире, чем ПЗУ: ОЗУ может работать в качестве ПЗУ, т.е. в режиме многократного считывания однократно записанной информации, а ПЗУ в качестве ОЗУ работать не может, т.к. не позволяет изменить однократно записанную в ней информацию. Далее коснёмся разновидности ПЗУ, которая допускает перепрограммирование, однако, и это ПЗУ не может заменить ОЗУ.
В свою очередь, ПЗУ обладает преимуществом перед ОЗУ в свойстве сохранять информацию при сбоях и отключении питания. Это свойство получило название энергозависимость. ОЗУ является энергозависимым, т.к. информация, записанная в ОЗУ, утрачивается при сбоях питания.
Для обеспечения надёжной работы ЭВМ при отказах питания нередко ПЗУ используют и в качестве памяти программ. В таком случае программа заносится в ПЗУ предварительно и уже не может быть заменена в данном ПЗУ другой программы. Очевидно, в использовании ПЗУ таким образом целесообразно прежде всего в специализированных автоматических устройствах, работающих по постоянной программе.
Запоминающее устройство, реализующее функции основной памяти, размещают рядом с процессором на одной плате, в одном блоке в зависимости от типа ЭВМ и такое ЗУ в этом смысле является внутренним. Быстродействие внутреннего ЗУ должно быть соизмеримо с быстродействием процессора. Практически это требование не всегда удаётся выполнить: по временным параметрам ОЗУ и ПЗУ отстают от процессора. По этому внутри ЭВМ размещают ещё и вспомогательную (буферную) память на быстродействующих регистрах, которые используются в качестве сверхоперативного ЗУ (СОЗУ) с небольшой информационной ёмкостью.
На ряду с внутренней памятью существует и внешняя память, реализуемая обычно на магнитных носителях: лентах или дисках.
Перейдём к вопросу о реализации внутренней и внешней памяти ЭВМ на основе микроэлектронной элементной базы. В современных вычислительных средствах и в электронной аппаратуре различного функционального назначения для построения ОЗУ и ПЗУ, а также регистровых ЗУ широко применяют полупроводниковые интегральные микросхемы. Микросхемы памяти изготавливают по полупроводниковой технологии на основе хранения с высокой степенью интеграции компонентов на кристалле, что определяет их принадлежность к большим интегральным схемам (БИС). Конструктивно БИС памяти представляет собой полупроводниковый кристалл с площадью в несколько десятков квадратных миллиметров, заключённый в корпус.
Для самой общей характеристики памяти принимают в расчёт информационную ёмкость, быстродействие, энергопотребление. Информационную ёмкость определяют числом единиц информации в битах и байтах, которые БИС памяти может хранить одновременно. Быстродействие характеризует временными параметрами, в частности временем цикла записи и считывания. Энергопотребление определяют произведением тока по потреблению и напряжения источников питания.
Для общего представления о микросхемах памяти как функциональных узлах электронной аппаратуры. Рассмотрим их наиболее характерные свойства, отражающие принцип построения и управления работы.

Рис.2. Микросхема памяти как функциональный узел: а – ОЗУ; б – ПЗУ.

Основной частью ОЗУ является массив элементов памяти, объединенных в матрицу накопителя. ЭП может хранить один бит (0 или 1) информации. Каждый ЭП имеет свой адрес. Для обращения к ЭП надо его «выбрать» с помощью кода адреса, сигналы которого подводят к соответствующим выводам микросхемы. ЗУ, ОЗУ или ПЗУ, которые допускают обращение по адресу к любому ЭП в произвольном порядке, называют запоминающим устройством с произвольной выборкой (ЗУПВ).
Разрядность кода адреса это «m», равная числу двоичных единиц в нём, определяет информационную ёмкость микросхема ОЗУ, т.е. число ЭП в матрице накопителя, т.е. информационная емкость 1024 бит.(В измерительной технике число 210=1024обозначают буквой К).
Для ввода и вывода информации служит вход и выход микросхемы. Для управления режимом микросхемы памяти необходим сигнал «Запись- считывание», значение 1 которого определяет режим записи бита информации в ЭП, 0 - режим считывания бита информации из ЭП. Такую организацию матрицы накопителя, при которой можно записывать или считывать один бит, называют одноразрядной.
Микросхемы ОЗУ по типу ЭП разделяют на статические и динамические. В статических ОЗУ в качестве ЭП применены статистические триггеры на биполярных или МДП – транзисторах (МДП – структура «металл – диэлектрик - полупроводник»). Как известно, статистический триггер способен сохранять свое состояние неограниченное время. Число состояний, в которых может находиться триггер, равно двум, что и позволяет использовать его для хранения двоичной единицы информации. В динамических ОЗУ ЭП выполнены на основе электрических конденсаторов, сформированных внутри полупроводникового кристалла. Такие ЭП не могут долго сохранять свое состояние, определяемое наличием или отсутствием эл. заряда и потому нуждаются в периодическом восстановлении (регенерации).Динамические ОЗУ отличаются от статистических ОЗУ большей информационной емкостью, что обусловлено меньшим числом компонентов в одном ЭП и, следовательно, более плотным их размещением в полупроводниковом кристалле, поэтому динамические ОЗУ сложнее в применении, поскольку нуждаются в организации принудительной регенерации, и в дополнительном оборудовании, и в усложнении устройств управления.
Микросхемы ПЗУ построены также по принципу матричной структуры накопителя (рис.2, б).Функции ЭП в микросхемах ПЗУ выполняют перемычки в виде проводников, диодов или транзисторов между шинами строк и столбцов в накопителе. В матрице наличие перемычки соответствует, например, 1 а ее отсутствие – 0. Микросхемы ПЗУ имеют словарную организацию и поэтому информация считывается в форме многоразрядного кода, т.е., словом. Совокупность ЭП в матрице накопителя, в которой размещается слово, называют ячейкой памяти (ЯП). Число ЭП в ЯП определяет ее разрядность n. Каждая ЯП имеет свой адрес и для обращения к определенной ЯП для считывания из нее информации необходимо к адресным выводам микросхемы подвести сигналы кода, соответствующего данной ячейки адреса. Число ячеек памяти равно 2m, а информационная емкость микросхемы – 2m*n бит.
Занесение информации в микросхемах ПЗУ, т.е. их программирование, осуществляют в основном двумя способами. Один способ заключается в формировании в накопителе перемычек в местах пересечения строк и столбцов матрицы через маску на заключительной технологической стадии изготовления микросхемы ПЗУ. Такие микросхемы ПЗУ называют масочными. Другой способ программирования микросхемы ПЗУ основан на пережигании легкоплавких перемычек в тех пересечениях шин строк и столбцов, куда должен быть записан 0 или 1, в зависимости от принятого кодирования. В исходном состоянии такая микросхема имеет в матрице перемычки во всех пересечениях строк и столбцов. Программирование осуществляет пользователь электрическими импульсами с помощью устройства доя программирования, называемого программатором.
Микросхемы ПЗУ, масочные (ПЗУМ) и программируемые (ППЗУ), допускают однократное программирование, поскольку оно осуществляется формированием или разрушением соединений в матрице. Один из вариантов реализации ПЗУ ориентирован на программирование заданных логических функций. Такие ПЗУ называют программируемыми логическими матрицами (ПЛМ).
Существует разновидность микросхем ПЗУ, допускающая неоднократное (сотни и тысячи циклов) программирование (репрограммирование).ЭП в микросхемах репрограммируемых ПЗУ (РПЗУ) является МДП – транзистор, обладающий свойством переходить в состояние проводимости под воздействием импульса программирующего напряжения и сохранить это состояние длительное время (тысяча часов). Данный эффект обусловлен накоплением электрического заряда в под затворном диэлектрике. Если на транзистор не воздействовать импульсом программирующего напряжения, то он сохраняет закрытое для электрического тока состояние. Для стирания информации перед новым циклом программирования необходимо вытеснить накопленный под затвором заряд. В зависимости от способа выполнения этой операции микросхемы РПЗУ разделяют на два вида: со стиранием электрическим сигналом (РПЗУ - ЭС) и ультрафиолетовым светом (РПЗУ - УФ), которым полупроводниковый кристалл облучают через специальное окно в крышке корпуса. Микросхемы РПЗУ сохраняют информацию без питания, т.е. являются энергозависимыми.

Рис. 3.

В соответствии с принятой системой (ОСТ 11 073. 915 - 80) обозначение микросхемы содержит четыре обязательных элемента.
Первый элемент – цифра, указывающая группу микросхемы по конструктивно – технологическому признаку: 1, 5, 6, 7 – полупроводниковые, 2, 4, 8 – гибридные, 3 – прочие (пленочные, пьезокерамические). Второй элемент – две – три цифры, указывающие номер разработки данной серии. В сочетании указанные два элемента составляют номер серии, к которой принадлежит микросхема. Третий элемент – две буквы, обозначающие функциональную подгруппу и вид микросхемы: РУ – ОЗУ с управлением, РМ – матрицы ОЗУ, РЕ – масочные ПЗУ, РФ – репрограммируемое ПЗУ со стиранием информации ультрафиолетовым светом, РТ – программируемое ПЗУ, РР – репрограммируемое ПЗУ со стиранием информации электрическим сигналом, РЦ – ЗУ на ЦМД, ИР – регистры. Четвёртый элемент – порядковый номер разработки микросхемы в серии микросхем одного вида. Перед первым элементом для характеристики условий применения, материала и типа корпуса могут размещаться: К- общетехнического применения, Э – экспортное исполнение, Р – пластмассовый корпус типа 2, Е – металлополимерный корпус типа 2, М – керамический, металло- или стеклокерамический корпус типа 2, А – пластмассовый корпус типа 4, И – стеклокерамический корпус типа 4, Н – керамический кристаллоноситель, Б – бескорпусное исполнение. После четвёртого элемента может быть размещена дополнительная группа: А, Б, В и т.д., определяющее условие разбраковки микросхем по одному из функциональных параметров: быстродействию, потребляемому току и др.

2. Однократно программируемые ЗУ.

В настоящее время ППЗУ получили самое широкое распространение среди всех электрически программируемых устройств памяти. Принцип действия ячейки ППЗУ основан на физических процессах, позволяющих необратимо изменить электрическое сопротивление двухполюсника. По принципу действия различают два типа однократно программируемых запоминающих элементов (ЗЭ): резисторный и диодный, в которых программирование осуществляется соответственно пережиганием плавких перемычек и пробоем p-n переходов.
Бит информации, хранящийся в ЗЭ резисторного типа, определяется наличием или отсутствием плавкой перемычки. В режиме считывания на ЗЭ подают напряжение и хранимое значение бита определяют по значению тока, протекающего через перемычку. В состоянии после изготовления ЗЭ хранит 1 (сопротивление перемычки мало), а после пережигания плавкой перемычки – 0. в качестве плавких перемычек широко применяют тонкие плёнки из нихрома или поликристаллического кремния. Сопротивление перемычки составляет около 10 Ом. В результате программирования через перемычку пропускают импульс тока, плотностью около 107 А/см2, в результате чего она не обратимо разрушается. В следствии малых размеров перемычки и большой энергии, выделяемой при пережигании, физические процессы в плёнке достаточно сложны.
Работа ЗЭ диодного типа основана на необратимых явлениях, происходящих при пробое обратно смещенного p – n перехода. В исходном состоянии ЗЭ диодного типа хранит 0, а его обратное сопротивление очень велико. При программировании к диоду прикладывается запирающее напряжение повышенного уровня, под действием которого p – n переход пробивается, т.е. происходит короткое замыкание (состояние логического 0).

Рис. 5. запоминающие ячейки на основе диодного ЗЭ: а – на диодах шотки, б – на транзисторе.
В схеме ячейки на рис. 4, а в режиме считывания подается положительное напряжение на шину Х, а выходной сигнал снимается с нагрузки, включенной последовательно в шину Y. В режиме программирования(запись 0) на шину Х подается импульс более высокого напряжения, под действием которого пережигается перемычка и нарушается электрическое соединение между катодом диода и шиной Y. Обычно для пережигания нихромовых перемычек необходимо пропустить ток 50 – 100, а кремниевых - примерно 20 мА.
Вследствие того, что диод является пассивным элементом, для получения высокого быстродействия формирователи возбуждения выходных шин выборки строки должны иметь малое выходное сопротивление, т.к. в момент подачи напряжения на шину происходит зарядка паразитных емкостей матрицы входным током. Использование в качестве элементов развязки транзисторов, включенных по схеме с общим коллектором (рис. 4, б), позволяет существенно снизить ток выборки для шин Х, благодаря усилительным свойствам транзистора дешифратор при программировании может задавать в выбранную шину значительно меньший ток, чем необходимо для пережигания перемычек. Обычно запоминающие матрицы строят на основе n - p – n транзисторов, что позволяет достичь наивысшего быстродействия и наибольшей плотности упаковки на кристалле для биполярных транзисторов.
Ячейки памяти на основе диодного ЗЭ (рис. 5.) состоят из двух встречновключенных p – n переходов, при считывания состояния ЗЭ на шину Х подается положительное напряжение, а с нагрузки, подключенной к шине Y, снимается выходной сигнал. В исходном состоянии элемент хранит 0, а его сопротивление очень велико. Для записи 1 к встречновключенной паре p – n переходов прикладывается повышенное напряжение, при котором запертый переход пробивается и замыкается накоротко. Сравнительно перспективным считается выполнение ЗЭ на встречновключенных диодах Шотки (рис. 5, а), которые в настоящее время получают все большее распространение. В исходном
состоянии встречновключенные диоды не проводят ток (состояние логического 0),по при программировании вследствие пробоя происходит закорачивание обратно смещенного диода (состояние логической 1).
Встречно включенные переходы часто создаются на основе транзистора с отключенной базой (рис. 5,б). Эмиттер транзистора соединяются с разрядной шиной. В режиме программирования при подаче достаточного потенциала на эмиттер(при заземлении коллектора) происходит необратимый пробой эмиттерного перехода и транзистор превращается в диод, образованный переходом коллектор - база.
На основе рассмотренных эффектов запоминающих ячеек созданы микросхемы и блоки ППЗУ ёмкостью более 64 Кбит и временем выборки 15 – 100 нс со встроенными схемами обрамления.
У ППЗУ есть некоторый недостаток, который заключается в том, микросхемы невозможно подвергнуть полному контролю по записи на заводе изготовителе, поэтому процент выхода годных микросхем по результатам программирования составляет 50–70%.

3. КЭШ память.

КЭШ память располагают между основной памятью и процессором для улучшения эффективной скорости взаимодействия с памятью и увеличения быстродействия процессора. Обычно КЭШ память реализуют на полупроводниковых устройствах, быстродействие которых сравнимо с быстродействием процессора, тогда как основная память использует более дешёвые и медленно действующие устройства. Все данные хранятся в основной памяти. С помощью системы с КЭШ – памятью некоторые из этих данных копируются в неё. Когда процессору нужно считать или записать данные в память, то сначала он проверят их наличие в КЭШ – памяти. Если необходимые данные находятся там (КЭШ - попадание), то процессор может легко и быстро их использовать. В противном случае (КЭШ - промах) эти данные извлекаются из основной памяти и переписываются в КЭШ – память.
Для увеличения процента КЭШ 0 попаданий процессор использует блочную выборку. КЭШ – контроллер разбивает основную память на блоки (известные также как длина строки) длиной обычно в 2, 4, 8, или 16 байт. Размер блока является одним из наиболее важных параметров при проектировании системы с КЭШ – памятью. Если блок слишком мал, то уменьшается эффективность выборки из основной памяти и процент КЭШ – попаданий. Слишком большой блок уменьшает количество блоков, помещающихся в КЭШ – памяти.
Обычно 32 – разрядный процессор использует 2 или 4 слова на блок. В случае КЭШ – промаха КЭШ – контроллер пересылает весь, содержащий нужное слово, блок из основной памяти в КЭШ – память. Блочная выборка может принести данные, расположенные перед требуемым байтом (просмотр назад), расположенные после него (просмотр вперёд), или же как те, так и другие.
Работая с КЭШ – памятью, необходимо помнить, что одновременно могут существовать две копии одних и тех же данных: одна в КЭШ -, а другая в основной памяти. Если изменяется только одна из этих копий, то по одном и тому же адресу будет существовать два набора информации.

Вопрос №19. Системная шина, внешняя память (винчестер, накопители на гибких магнитных дисках и CD-ROM).

Системная шина

Виды системных шин.

Системная шина представляет из себя совокупность сигнальных линий, объединённых по их назначению (данные, адреса, управление).

Основной функцией системной шины является передача информации между базовым микропроцессором и остальными электронными компонентами компьютера. По этой шине так же осуществляется не только передача информации, но и адресация устройств, а также обмен специальными служебными сигналами.

Все современные компьютеры располагают комбинированными системными шинами, например, ISA (IndustryStandartArchitecture - стандартная промышленная архитектура) и PCI или EISA (ExtandedIndustryStandartArchitecture) и PCI (PeripheralComponentInterconnect). Одна из шин называется первичной системной (EISA, ISA), а другая (PCI) вторичной системной.

Системную шину условно можно разделить на шину данных, адресную и шину управления. Если важнейшей характеристикой двух первых шин является разрядность, то применительно к третьей говорят о количестве линий аппаратных прерываний IRQ и линий требования внешними устройствами прямого доступа к памяти DMA.

Передачей информации по системной шине управляет одно из подключённых устройств или специально выделенный для этого узел, называемый арбитром шины.

В компьютерах используют системные шины, соответствующие модификациям ISA с частотой 8,33 Мгц и EISA с частотой 33 МГц, а так же шина PCI с частотой 66 Мгц.

Архитектура системной шины той или иной модели системной платы зависит от производителя и определяется типом платформы ПК (типом центрального процессора), применяемым набором микросхем chipset и количеством и разрядностью периферийных устройств, подключаемых к данной системной плате. Так системные шины платформы Pentium, т.е. PCI обеспечивают обмен центрального процессора с оперативной памятью 64-разрядами данных, при этом адресация данных осуществляется 32-разрядным адресом. С периферийными устройствами шина ISA поддерживает обмен 16-разрядным кодом данных и 16-разрядным адресным кодом данных, шина EISA - 32-разрядным кодом данных и 32-разрядным адресным кодом.

Пропускная способность шины.

Часто используется в качестве критерия сравнения возможностей шин различной архитектуры максимальная пропускная способность шины. Её можно рассчитать, умножив её рабочую частоту на количество байт, передающихся в одном такте (ширину полосы пропускания). Таким образом теоретически скорость обмена по шине ISA может достигать 16 Мбайт/с, по шине EISA - 33 Мбайт/с, а по шине PCI - 533 Мбайт/с.

Например, системная шина процессора Pentium имеет частоту 66,67 Мгц и ширину полосы пропускания 8 байт. Поэтому максимальная пропускная способность шины Pentium, т.е. PCI составляет 66,67х8 или 533 Мбайт/с. Если процессор имеет тактовую частоту выше частоты системной шины и/или способен исполнять несколько инструкций в одном такте, он может полностью использовать пропускную способность шины. Это приводит к задержкам, существенно снижающим производительность операций. Увеличение пропускной способности требует увеличения либо тактовой частоты, либо ширины полосы пропускания шины.

Внешняя память компьютера.
Основные виды внешней памяти.

Основное назначение внешней памяти компьютера – долговременное хранение большого количества различных файлов (программ, данных и т.д.). Устройство, которое обеспечивает запись/считывание информации, называется накопителем, а хранится информация на носителях. Наиболее распространенными являются накопители следующих типов:

• Накопители на гибких магнитных дисках (НГМД) двух различных типов, рассчитанные на диски диаметром 5,25” (емкость 1,2 Мб) и диски диаметром 3,5“(емкость 1,44 Мб);
• Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД) информационной емкостью от 1 до десятков Гб;
• Накопители CD-ROM емкостью 640 Мб;
• Накопители DVD-ROM емкостью до 17 Гб.

Для пользователя имеют существенное значение некоторые показатели: информационная емкость, скорость обмена информацией, надежность ее хранения и т.д. (см. таблицу).

Тип накопителя	Емкость носителя	Скорость обмена	Опасные воздействия
НГМД 5,25”	1,2 Мб	Низкая	Магнитные поля, нагревание
НГМД 3,5”	1,44 Мб	Низкая
НЖМД	Десятки Гб	От 3 до 8 Мб/с	Удары
CD-ROM	640 Мб	До 3,6 Мб/с	Загрязнение

В основу записи, хранения и считывания информации положены два физических принципа, магнитный и оптический.

В НГМД и НЖМД используется магнитный принцип. При магнитном способе запись информации производится на магнитный носитель (диск, покрытый ферромагнитным лаком) с помощью магнитных головок.

В процессе записи головка с сердечником из магнитомягкого материала (малая остаточная намагниченность) перемещается вдоль магнитного слоя магнитожесткого носителя (большая остаточная намагниченность). Электрические импульсы создают в головке магнитное поле, которое последовательно намагничивает (1) или не намагничивает (0) элементы носителя.

При считывании информации намагниченные участки носителя вызывают в магнитной головке импульс тока (явление электромагнитной индукции).

Носители информации имеют форму диска и помещаются в конверт из плотной бумаги (5, 25”) или пластмассовый корпус (3,5”). В центре диска имеется отверстие (или приспособление для захвата) для обеспечения вращения диска в дисководе, которое производится с постоянной угловой скоростью 300 об/с.

В защитном конверте (корпусе) имеется продолговатое отверстие, через которое производится запись / считывание информации. На боковой кромке дискет (5,25”) находится маленький вырез, позволяющий производить запись, если вырез заклеить непрозрачной наклейкой, запись становится невозможной (диск защищен). В дискетах 3,5” защиту от записи обеспечивает предохранительная защелка в левом нижнем углу пластмассового корпуса.

Диск должен быть форматирован, т.е. должна быть создана физическая и логическая структура диска. В процессе форматирования на диске образуются концентрические дорожки, которые делятся на сектора, для этого головка дисковода расставляет в определенных местах диска метки дорожек и секторов.

Жесткие магнитные диски состоят из нескольких дисков, размещенных на одной оси и вращающихся с большой угловой скоростью (несколько тысяч оборотов в минуту), заключенных в металлический корпус. Большая информационная емкость жестких дисков достигается за счет увеличения количества дорожек на каждом диске до нескольких тысяч, а количества секторов на дорожке – до нескольких десятков. Большая угловая скорость вращения дисков позволяет достигать высокой скорости считывания / записи информации (более 5 Мб/с).

CD-ROM накопители используют оптический принцип чтения информации. Информация на CD-ROM диске записана на одну спиралевидную дорожку (как на грампластинке), содержащую чередующиеся участки с различной отражающей способностью. Лазерный луч падает на поверхность вращающегося CD-ROM-диска, интенсивность отраженного луча соответствует значениям 0 или 1. C помощью фотопреобразователя они преобразуются в последовательности электрических импульсов.

Скорость считывания информации в CD-ROM накопителе зависит от скорости вращения диска. Первые CD-ROM накопители были односкоростными и обеспечивали скорость считывания информации 150 Кб/с, в настоящее время все большее распространение получают 24-скоростные CD-ROM накопители, которые обеспечивают скорость считывания информации до 3,6 Мб/с.

Информационная емкость CD-ROM диска может достигать 640 Мб. Производятся CD-ROM диски либо путем штамповки (диски белого цвета), либо записываются (диски желтого цвета) на специальных устройствах, которые называются CD-recorder.

DVD-ROM диски (цифровые видео диски) имеют гораздо большую информационную емкость (до 17 Гбайт), т.к. информация может быть записана на двух сторонах, в два слоя на одной стороне, а сами дорожки имеют меньшую толщину.

Первое поколение DVD-ROM накопителей обеспечивало скорость считывания информации примерно 1,3 Мбайт/с. В настоящее время 5-скоростные DVD-ROM достигают скорости считывания до 6,8 Мбайт/с.

Существуют CD-R и DVD-R диски (R — recordable, записываемый), которые имеют золотистый цвет. Специальные CD-R и DVD-R дисководы обладают достаточно мощным лазером, который в процессе записи информации меняют отражающую способность участков поверхности записываемого диска. Информация на таких дисках может быть записана только один раз.

Существуют также CD-RW и DVD-RW диски (RW — Rewritable, перезаписываемый), которые имеют «платиновый» оттенок. Специальные CD-RW и DVD-RW дисководы в процессе записи информации также меняют отражающую способность отдельных участков поверхности дисков, однако информация на таких дисках может быть записана многократно. Перед перезаписью записанную информацию «стирают» путем нагревания участков поверхности диска с помощью лазера.

Вопрос №20. Устройства ввода/вывода и мультимедиа. Принципы устройства мониторов и принтеров.

 

Мультимедийные устройства ввода/вывода информации. Устройства "виртуальной реальности".

 

Мультимедийныеустройстваввода/вывода информации

 

Мультимедиа (multimedia — многосредовость) — это комплекс аппа­ратных и программных средств, позволяющих человеку общаться с ком­пьютером, используя самые разные, естественные для себя среды: звук, видео, графику, тексты и анимацию.

Анимация — это изменение вида, формы, размеров или взаимного расположения объектов на экране, создающее эффект мультипликации.

Современный мультимедиа-ПК в полном «вооружении» напо­минает домашний стереофонический Hi-Fi комплекс, объединен­ный с дисплеем-телевизором. Он укомплектован активными сте­реофоническими колонками, микрофоном и дисководом для опти­ческих компакт-дисков.

Понятно, что для поддержания всех этих аппаратных возмож­ностей ПК нужны определенные программные средства, ведь ос­новная проблема, из которой вытекает качество работы мультиме­дийного компьютера, — совместная обработка разнородных дан­ных: цифровых и аналоговых, «живого» видео и неподвижных изображений.

Всем известно, что в компьютере все данные хранятся в цифровой форме, в то время как теле-, видео- и большинство аудиоаппартурыимеет дело с аналоговым сигналом. Однако выходные устройства ком­пьютера — мониторы и динамики — имеют аналоговый выход. По­этому простейший и наиболее дешевый путь построения первых си­стем мультимедиа состоял в стыковке разнородной аппаратуры с ком­пьютером, предоставлении компьютеру возможностей управления этими устройствами, совмещении выходных сигналов компьютера и видео- и аудиоустройств и обеспечении их нормальной совместной работы. Дальнейшее развитие мультимедиа происходит в направле­нии объединения разнородных типов данных в цифровой форме на одной среде-носителе, в рамках одной системы.

О дисководах мы с вами говорили, когда изучали устройства внешней памяти компьютера. Рассмотрим два таких широко извес­тных дополнительных мультимедийных устройства как микрофон и акустические системы — колонки.

Микрофон — это дополнительное устрой­ство, предназначенное для записи и ввода зву­ковой и речевой информации в ПК.

Принцип действия микрофона заключается в преобразовании звуковых колебаний в элект­рические так, чтобы содержащаяся в звуке ин­формация не претерпевала заметных измене­ний. Для этого микрофон должен отвечать сле­дующим требованиям:

♦ при рабочих уровнях звука микрофон должен вырабатывать электрический сигнал, в достаточной мере превышающий уровень собственных электрических шумов;

♦вырабатываемый сигнал не должен иметь существенных иска­жений;

♦микрофон должен практически без изменений передавать всезвуковые частотные составляющие, содержащиеся в сигнале впределах частотного диапазона аппаратуры, к которой он под­ключен.

Микрофоны отличаются по способу преобразования колебаний звукового давления в колебания электрические. С этой точки зренияразличают электродинамические, электромагнитные, электростатичес­кие, пьезоэлектрические, угольные и полупроводниковые микрофоны.

Электродинамические микрофоны делятся на катушечные и ленточные.

К электростатическим микрофонам относятся конденсаторные и электретные, широко используемые в профессиональных целях.

Электромагнитные и пьезоэлектрические микрофоны не полу­чили распространения в звукозаписи из-за узкого частотного диапа­зона и неравномерной частотной характеристики.

Последние две группы микрофонов — угольные и полупроводни­ковые — из дальнейшего рассмотрения можно смело исключить, так как принципы их действия не обеспечивают выполнения ни одного из требований, предъявляемых к микрофонам для звукозаписи.

Принципы действия микрофонов различных типов объединяет способ преобразования звуковых колебаний в электрические: мем­брана (диафрагма) микрофона воспринимает и передает колебания звукового давления элементу, осуществляющему их преобразование в электрический сигнал.

На звуковой карте можно обнаружить один разъем для подключе­ния микрофона, который имеет лишь один сигнальный контакт. Зна­чит, к звуковой карте можно подключить только один микрофон. Са­мое интересное, что подавляющее большинство звуковых карт (за ис­ключением нескольких самых дорогих, специально предназначенных для многоканальной записи) имеют по одному микрофонному входу

Но если вы поставили перед собой цель, используя микрофон­ный вход звуковой карты, сохранить в стереофонической записи ре­альную акустическую обстановку концертного зала, то сделать это­го не удалось бы, используя только стандартный микрофонный вход. Для такой записи обязательно нужна стереопара микрофонов, кото­рую и используют музыканты и композиторы в стереостудиях, созда­вая современную компьютерную музыку.

Акустические системы (колонки) — это дополнительное устройство ПК, предназначенное для вывода из него аудиоинформации.

Акустические системы бывают пассивные и активные. Пассивные не содержат встроенного усилителя и могут подклю­чаться к звуковым платам, имеющим собственный усилитель (обычно4-ваттный, по 2 Ватта на канал) и регулятор громкости. Обычно это крохотные «пищалки», полагающиеся только на энергию, мощность и милость звуковой системы компьютера.

Активные — оборудованы усилителем и могут подключаться как к линейному выходу звуковой платы, так и к порту USB. В последнем случае звук поступает на колон­ки в цифровом виде, а его деко­дированием вместо звуковой карты занимается небольшой чип, установленный в самих колонках. Источником пита­ния для встроенного в колонки усилителя является внутренний аккумулятор или блок питания, который, в свою очередь, системаможет быть и внутренним, ивнешним. Кроме регулятора громкости, активные колонки имеют обычно и 3-полосный эква­лайзер.

Следует иметь в виду, что к линейному выходу звуковой платы может быть подключен линейный вход усилителя бытового аудио-комплекса.

Основная характеристика колонок — мощность, измеряемая в ваттах. Реальная мощность колонок лежит в пределах 10—50 Вт.

О качестве колонок также свидетельствуют их частотные харак­теристики. Обычно эта величина лежит в пределах 40—60 Гц. Обра­тите внимание, что человеческое ухо способно воспринимать сигна­лы в диапазоне от 20 до 20 000 Гц, а диапазон звучания большинства музыкальных инструментов — от 27 до 17 000 Гц. В техническом пас­порте колонок указывается, как правило, нижняя граница диапазо­на, поэтому, предположим, колонок с нижней границей звучания в 50 Гц вполне достаточно для качественного звучания.

Число динамиков в колонке влияет как на громкость и качество звучания, так и на цену колонок: в дешевых — один динамик, в бо­лее дорогих — уже два, для высоких и низких частот, а в «крутых» ко­лонках — даже три, с дополнительным динамиком, так называемым «сабвуфером», усилителем низких частот.

Если раньше в основном на рынке преобладали обычные 2-ко-лоночные системы, то сегодня, в эпоху трехмерного звука, все чаще можно встретить систему с большим числом колонок (от 3 до 6). За­метьте, что 6-колоночная система предназначена для воспроизведе­ния DVD-звука, так как звук на видео — пятиканальный, с полным эффектом «погружения». Правда, для подключения такой системы требуется специальная карта-декодер.

 

Устройство и основные принципы работы мониторов на ЭЛТ и ЖК дисплеев.

Мониторы (monitors) – наиболее популярные устройства отображения информации. Основа большинства современных мониторов – ЖК дисплей, а электронно-лучевая трубка, ЭЛТ (cathoderaytube, CRT) – это сильно устаревший на сегодня вид мониторов. По принципу работы ЭЛТ напоминают кинескопы, используемые в обычных телевизорах – электронная пушка испускает пучок электронов, высвечивающих на экране картинку, состоящую из точек (pixels). Чем больше точек может вместить экран