Периферийные устройства ввода-вывода информации

Введение

Актуальность Вопросы организации ввода/вывода в вычислительной системе иногда оказываются вне внимания потребителей. Это привело к тому, что при оценке производительности системы часто используются только оценки производительности процессора, а оценкой системы ввода/вывода пренебрегают. Такое отношение к системам ввода/вывода, как к некоторым не очень важным понятиям, проистекает также из термина "периферия", который применяется к устройствам ввода/вывода.

Однако это противоречит здравому смыслу. Очевидно одной из наиболее правильных оценок производительности системы является время ответа (время между моментом ввода пользователем задания и получения им результата), которое учитывает все накладные расходы, связанные с выполнением задания в системе, включая ввод/вывод.

Кроме того, важность системы ввода/вывода определяется еще и тем, что быстрое увеличение производительности процессоров настолько изменило принципы классификации компьютеров, что именно по организации ввода/вывода мы можем как-то грубо их отличать: разница между мейнфреймом и миникомпьютером заключается в том, что мейнфрейм может поддерживать намного больше терминалов и дисков; разница между миникомпьютером и рабочей станцией заключается в том, что рабочая станция имеет экран, клавиатуру и мышь; разница между файл-сервером и рабочей станцией заключается в том, что файл-сервер имеет диски и ленточные устройства, а экран, клавиатура и мышь отсутствуют; разница между рабочей станцией и персональным компьютером заключается лишь в том, что рабочие станции всегда соединены друг с другом с помощью локальной сети.

Производительность процессоров растет со скоростью 50-100% в год. Если одновременно не улучшались бы характеристики систем ввод/вывода, то, очевидно, разработка новых систем зашла бы в тупик.

Компьютер обменивается информацией с внешним миром с помощью периферийных устройств. Только благодаря периферийным устройствам человек может взаимодействовать с компьютером, а также со всеми подключенными к нему устройствами.

Как правило периферийные устройства компьютеров делятся на устройства ввода, устройства вывода, устройства ввода - вывода (внешние запоминающие устройства), рис. 1.

Рис. 1 Классификация устройств ввода –вывода.

 

Основной обобщающей характеристикой устройств ввода/вывода может служить максимальная скорость, с которой данные могут передаваться между устройством ввода/вывода и основной памятью или процессором.

Устройства ввода преобразуют информацию в форму понятную машине, после чего компьютер может ее обрабатывать и запоминать. Устройства вывода переводят информацию из машинного представления в образы, понятные человеку.

 

Периферийные устройства вывода информации

Организация системы ввода-вывода вычислительной системы

Принципы Фон-Неймановской архитектуры. 6

Принципы Фон-Неймановской архитектуры.

1. Принцип использования двоичной системы счисления для представления данных и команд.

2. Принцип хранимой программы.

3. Однородность памяти и адресации; принцип линейности памяти.

Память машины рассматривается как вектор, состоящий из одинаковых ячеек, способных принимать любые значения. Значение в ячейке с точки зрения процессора является последовательностью битов фиксированной длины без каких-либо ограничений. Ячейки памяти идентифицируются адресами:

числами от нуля до максимально возможной для данной машины величины. Адреса служат указателями для процессора, откуда следует извлекать значение или куда помещать значение.

Организация подключения периферийных устройств 9

Интерфейсы, и их виды.

Выделяют интерфейсы:

1. Аппаратный (устройство-устройство) – совокупность алгоритмов обмена и технических средств, обеспечивающих обмен между устройствами. Примеры: PCI, RS-232, I2C, Ethernet.

2. Программный – соглашение о связях в программной среде между программными модулями. Примеры: Win32, POSIX, API любого программного модуля (интерфейс прикладного программирования – набор функций, предоставляемый для использования в прикладных программах).

3. Пользовательский (ВС – пользователь) – сценарии, по которым строится общение оператора с вычислительной системой, и стиль их реализации. Примеры: стиль организации работы в программном комплексе Microsoft Office.

Параллельный интерфейс

Порт параллельного интерфейса был введен в ПК для подключения принтера- отсюда и пошло название этого устройства LРT-порт (Line PrinTer). Традиционный LPT-порт ориентирован на вывод данных хотя с некоторыми ограничениями позволяет и введение данных. Существуют разнообразные модификации LPT-порта - двунаправленный, ЕРР, ЕСР и другие, что позволяют расширить его функциональные возможности, повышают производительность и снижают нагрузку на процессор.

С внешней стороны порт имеет 8-ми разрядную шину данных, 5-ти разрядную шину сигналов состояния и 4-ох разрядную шину управляющих сигналов, которые выведены на разъем розетку DB-25S.

Рис. 17. Разъем для подключения устройства

С программной стороны LPT-порт является набором регистров. К LPT портам подключают принтеры, плоттеры, сканеры, коммуникационные устройства и устройства хранения данных, а также электронные ключи, программаторы и другие устройства. Иногда параллельный интерфейс используют для связи между двумя компьютерами - выходит сеть, «сделанная на колене» (LapLink). Стандартный параллельный порт называется SPP (Standard Parallel Port). SPP порт является однонаправленным, на его базе программно реализуется протокол обмена Centronics. Сигналы порта выводятся на стандартный разъем DB-25S (розетка). Стандартный порт имеет три 8-битных регистра, расположенных по соседним адресам в пространстве ввода/вывода.

 

- DR (Data Register) – регистр данных. Данные, записанные в этот порт, выводятся на выходные линии интерфейса

- SR (Status Register) – регистр состояния; представляет собой 5-битный порт ввода сигналов интерфейса, отображающих состояние принтера(Busy,Ack,Paper End, Select, Error)

- CR (Control Register) – регистр управления. Предназначен для программного управления принтером путем активизации линий Select, Init, AutoLF, Strobe#, задания режима прерывания и направления передачи данных

Контроллер параллельного интерфейса поддерживает 8-битную шину данных, 5-битную шину сигналов состояния и 4-битную шину управляющих сигналов. Обычно поддерживаются три 8-битных регистра в пространстве ввода-вывода и одна линия IRQ. Схемотехника порта LPT базируется на TTL-логике. Скорость обмена не выше 150 КБ/с при значительной загрузке процессора.

Процедура вывода байта по интерфейсу Centronics включает следующие:

- вывод байта в регистр данных

- ввод из регистра состояния и проверка готовности устройства (бит SR.7 – сигнал Busy). Этот шаг зацикливается до получения готовности или до срабатывания программного тайм-аута

- по получении готовности выводом в регистр управления устанавливается строб данных, а следующим выводом строб снимается.

Главный недостаток вывода через стандартный порт – невысокая скорость обмена при значительной загрузке процессора. Порт может обеспечить скорость не более 100-150 КБ/с при полной загрузке процессора

 

Рис. 18. Логическая схема параллельного порта

Адаптер параллельного интерфейса – набор регистров, расположенных в адресном пространстве устройств ввода/вывода. Количество регистров зависит от типа порта, однако три из них стандартны и присутствуют всегда – регистр данных, регистр состояния и регистр управления, рис. 18. Стандартный параллельный порт предназначен только для односторонней передачи информации. Работа же с каналами связи предполагает реализацию как передачи, так и приема данных. Кроме того, так как интерфейс Centronics является программно-управляемым, скорость информационного обмена не может быть особенно велика и оказывается напрямую связанной с быстродействием компьютера. Имеется также ограничение на длину линии связи устройства, подключенного к интерфейсу Centronics. Оно должно располагаться на расстоянии не более 1.8 м от компьютера

 

Порядок обмена по интерфейсу Centronics. Сигналы Centronics имеют следующее назначение.

- D0..D7 – 8-разрядная шина данных для передачи из компьютера в принтер. Логика сигналов положительная

‑ STROBE – сигнал стробирования данных. Данные действительны как по переднему, так и по заднему фронту этого сигнала. Сигнал говорит приемнику (принтеру), что можно принимать данные

- ACK – сигнал подтверждения принятия данных и готовности приемника (принтера) принять следующие данные. То есть здесь реализуется асинхронный обмен

- BUSY – сигнал занятости принтера обработкой полученных данных и неготовности принять следующие данные. Активен также при переходе принтера в состояние off-line или при ошибке, а также при отсутствии бумаги. Компьютер начинает новый цикл передачи только после снятия -ACK и после снятия BUSY

- AUTOFEED – сигнал автоматического перевода строки. Получив его, принтер переводит каретку на следующую строку

- PE – сигнал конца бумаги. Получив его, компьютер переходит в режим ожидания. Если в принтер вставить лист бумаги, то сигнал снимается

- SELECT – сигнал готовности приемника. С его помощью принтер говорит о том, что он выбран и готов к работе. У многих принтеров имеет постоянно высокий уровень

- SELECTIN – сигнал принтеру о том, что он выбран и последует передача данных

- ERROR – сигнал ошибки принтера. Активен при внутренней ошибке, переходе принтера в состояние off-line или при отсутствии бумаги

- INIT – сигнал инициализации (сброса) принтера. Очистка буфера печати.

Перед началом цикла передачи данных компьютер должен убедиться, что сняты сигналы BUSY и ACK. После этого выставляются данные, формируется строб, и снимаются данные. Принтер должен успеть принять данные с выбранным темпом. При получении строба принтер формирует сигнал BUSY, а после окончания обработки данных выставляет сигнал nACK, снимает BUSY и снимает ACK. Затем может начинаться новый цикл.

Все сигналы интерфейса Centronics передаются в уровнях ТТЛ и рассчитаны на подключение одного стандартного входа ТТЛ

Порт ЕРР – улучшенный параллельный порт). Двунаправленный - то есть обеспечивает параллельную передачу 8 бит в обоих направлениях. Это избавляет центральный процессор от необходимости выполнения медленных инструкций типа IN и OUT, позволяя программе заниматься непосредственно пересылкой данных. Порт ЕРР передает и принимает данные почти в 6 раз быстрее обычного параллельного порта. Этому также способствует то, что порт ЕРР имеет буфер, сохраняющий передаваемые и принимаемые символы до того момента, когда модем или другое периферийное устройство будет готово их принять

Специальный режим позволяет порту ЕРР передавать блоки данных непосредственно из ОЗУ компьютера в периферийное устройство и обратно, минуя процессор. Такое преимущество, однако, реализуется за счет использования, такого ценного ресурса компьютера, как канал прямого доступа к памяти

Протокол ЕРР обеспечивает четыре типа циклов обмена: записи и чтения данных, записи и чтения адреса

Порт ЕРР полностью совместим с обычным портом. Для использования его специфических функций требуется специальное программное обеспечение. При использовании надлежащего программного обеспечения порт ЕРР может передавать и принимать данные со скоростью до 2 Мб/с.

Порты ввода-вывода

Организация работы. Порт можно определить как точку, через которую осуществляется взаимодействие с каким-либо блоком в системе ввода-вывода, многоразрядный вход или выход устройства. Порт ввода-вывода – это логическая адресуемая единица СВВ, которая характеризуется: адресом, форматом данных и набором операций, которые к этому порту можно применять. Взаимодействие может осуществляться как программным путем, так и аппаратным (порт – разъем устройства). В случае программного взаимодействия совокупность портов нумеруется и представляет собой адресное пространство (т.е. к каждому порту доступ осуществляется по его адресу). Различают порты ввода, вывода и двунаправленные (ввода-вывода). Управление блоками СВВ через порты осуществляется путем записи в них или чтения из них данных. При обращении к порту на линии системного интерфейса выставляется его адрес, который распознается специальным блоком – адресным декодером (или селектором адресов, что то же самое), – расположенным в устройстве, к которому приписан данный порт. Адресный декодер затем инициирует процесс обмена данными (запись или чтение, в зависимости от управляющих сигналов), Надо сказать, что кроме наличия «нужного» адреса на линиях системного интерфейса для начала процесса обмена с устройством необходимы еще определенные значения управляющих сигналов («чтение», «запись», «Chip-Select» и т.п.). Одному и тому же устройству может соответствовать несколько портов, идущих друг за другом (диапазон адресов) или иначе (вразброс по адресному пространству портов), через которые осуществляется доступ к разным механизмам устройства или к различным частям одного механизма (например, один порт представляет собой регистр адреса внутренней памяти устройства, а через другой пересылаются данные).

На рис. 19 ниже изображен пример взаимодействия с устройством через порты. Первый пример иллюстрирует механизм распознавания номеров (адресов) портов, к которым происходит обращение через системный интерфейс.

 

Рис. 19. Пример аппаратной реализации портов ввода-вывода

По алгоритму обмена различают порты: 1. С программно управляемым (программным) вводом-выводом: установка и считывание данных определяется только ходом вычислительного процесса. Нет защиты от повторного считывания- записи одного и того же значения на выводе и считывания-записи во время переходного процесса на выводе. 2. Со стробированием: каждая операция ввода-вывода подтверждается импульсом синхронизации (стробом) со стороны источника сигнала (при выводе – процессор, при вводе – внешнее устройство).

 

Считывание информации приемником происходит только по стробу, что позволяет защититься от приема данных во время переходного процесса входного сигнала.

3. С полным квитированием. Данный режим чаще всего используется для обмена данными с другой вычислительной системой по параллельной шине. Кроме сигналов синхронизации со стороны передатчика используются сигналы подтверждения (готовности к следующему обмену) со стороны приемника. Это позволяет управлять интенсивностью обмена обеим взаимодействующим сторонам и предотвращает потерю данных, когда одна из них перегружена. Пример порта с квитированием – порт LPT персонального компьютера.

Дискретные порты ввода-вывода. В большинстве современных процессоров для встраиваемых применений поддерживается как независимое управление каждой линией параллельного порта, так и групповое управление всеми разрядами. Так как схемотехника отдельных линий в рамках одного 4-, 8- или 16-разрядного порта одинакова, то дальше будут рассматриваться устройство и функционирование одиночного разряда.

2.2.1 Однонаправленные порты ввода- вывода. Схема однонаправленного порта ввода показана на рис. 20.

Рис. 20. Однонаправленный порт ввода

Внешние данные считываются через вывод порта (ножку микросхемы), проходят через триггер Шмитта (ТШ) или схему защиты от дребезга (СЗД) и по внутреннему сигналу чтения фиксируются в регистре данных, с выхода которого, в свою очередь, данные считываются процессором. ТШ (используется в большинстве процессоров для встроенного применения) имеет гистерезис по уровню входного напряжения и предотвращает многократное переключение входных схем при пологом фронте сигнала или помехах. СЗД вводит инерционность переключения и отсекает реакцию на короткие по длительности импульсы. Используется для защиты от помех. Ко входу также могут подключаться так называемые «резисторы поддержки» логической «1» (Pull-up) или логического «0» (Pull-down).

Эти резисторы предназначены для переведения входов в устойчивое состояние «0» или «1» и предотвращения произвольных переключений от помех в моменты, когда на них (входы) не подается внешний сигнал, например, неиспользуемых и не подключенных к внешним схемам входов («открытых входов»). Через специальные управляющие регистры «схемы поддержки» могут быть отключены полностью или включены в режим Pull-up или Pull-down.

Все перечисленные блоки: триггер Шмитта, СЗД и «схемы поддержки» – используются для защиты от случайных переключений в результате помех и помогают снизить энергопотребление, которое резко возрастает в момент переключений входных схем.

Порты вывода бывают:

• С двухтактной выходной схемой (комплементарные).

• С однотактной выходной схемой и внутренней нагрузкой.

• С открытым выходом (открытым коллектором или стоком).

Порты вывода с двухтактной выходной схемой. являются самыми распространенными и реализованы, например, в семействах Atmel AVR, Microchip PICmicro, AMD AM186, Motorola HC08, HC11 и многих других.

 

Рис. 21. Порт вывода с двухтактной схемой

Рассмотрим функционирование данной схемы. Выходные данные записываются в регистр-защелку данных по внутреннему сигналу записи #WR и через простейшую логическую схему управляют выходными транзисторами. Если в регистр записано значение «1», то открыт верхний по схеме транзистор, а нижний закрыт: на выводе порта Vcc (логическая «1»). Если в регистр записано значение «0», то открыт нижний по схеме транзистор, а верхний закрыт: вывод порта соединен с минусовой шиной питания, т.е. там установлен «0». На схеме верхний регистр управляет сигналом #OE

– «разрешение выходов». Если в регистр записан «0», то схема работает, как было описано выше. Если записана «1», то оба транзистора закрываются и схема переводится в «высокоомное» состояние (Z-состояние). В этом состоянии выходное сопротивление порта очень высокое и он фактически «оторван» от микропроцессора. Это необходимо:

• Если к выходному порту подключены выходы других схем и необходимо делить линии передачи данных с этими устройствами. Например: процессор используется как периферийный контроллер и его выходной порт подключен к периферийной шине другого процессора (мастера), к этой же шине подсоединены еще несколько периферийных контроллеров.

Достоинство: Максимальные значения втекающего (в состоянии «0») и вытекающего (в состоянии «1») тока выхода составляют 2-6мА для каскадов с нормальной нагрузочной способностью (например, Fujitsu MB90) и 5-30мА для каскадов с повышенной нагрузочной способностью (например, PICmicro, AVR).

Встречаются отдельные микросхемы со сверхвысокой нагрузочной способностью – до 60-90мА (например, PIC17). Большой выходной ток позволяет непосредственно с ножки, без схем усиления и согласования сигнала, управлять достаточно мощной нагрузкой: светодиодами, реле, мощным электронным ключом (транзистор, тиристор). Это значительно упрощает схему устройств.

Недостатки: При программировании необходимо управлять дополнительным битовым регистром «разрешение выхода». Значительное энергопотребление и уровень помех при переключении

Порты вывода с однотактной выходной схемой и внутренней нагрузкой применяются, например, в семействе MCS-51. Они имеют более простую внутреннюю схему. Когда в регистр-защелку записано значение «1», транзистор закрыт и на выходе через резистор RL устанавливается Vcc – логическая «1». Когда же в регистр-защелку записан «0», открывается транзистор и соединяет выход с минусовой шиной питания, т.е. там устанавливается «0». При этом резистор RL оказывается подключенным между шинами питания. Во избежание высокого тока через резистор и его перегрева сопротивление делают достаточно высоким 10-100кОм. Высокое сопротивление резистора позволяет непосредственно соединять несколько выходов, не опасаясь их встречного включения, так как если «0» на одном из выходов «подсадит» «1» на другом, то мощность, выделяемая на «подсаженном» резисторе будет мала, он не перегреется и каскад не выйдет из строя.

Рис.22. Порт вывода с однотактной схемой

Достоинства: • Необходимо управлять только одним регистром. • Простая схема. • Возможность без дополнительных схем организовать подключение на одну внешнюю шину несколько таких выходов. Легко построить квазидвунаправленный порт ввода-вывода (см. ниже). Недостаток: Малый вытекающий ток (в состоянии «1»), ограниченный резистором RL –сотни мкА.

 

Порты вывода с открытым выходом (открытым коллектором или стоком) Применяются во многих семействах микропроцессоров, например, AMD Am186 (там это один из режимов порта), PICmicro. Выходной каскад построен по однотактной схеме с внешней нагрузкой. Принцип функционирования аналогичен описанному для однотактного выходного каскада.

Рис. 23. Порт вывода с открытым выходом

Достоинства: • Внешнее напряжение питания нагрузки Vcc ext может быть иным – большим или меньшим, чем питание микропроцессора. Это может быть удобным для сопряжения схем с различными уровнями логической «1», например, 3,3В и 5В. Если внешнее напряжение достаточно высокое, то можно непосредственно управлять высоковольтной нагрузкой. Например, анонсирован микроконтроллер семейства PICmicro допускающий подключение внешнего напряжения Vcc ext до 15В при питании ядра 2-6В.

 

• Необходимо управлять только одним регистром.

• Простая схема.

• Возможность без дополнительных схем организовать подключение на одну внешнюю шину несколько таких выходов. При этом можно подбирать требуемое сопротивление RL, например, стандарт I2C требует чтобы сопротивление было 2.2кОм. Легко построить квазидвунаправленный порт ввода-вывода (см. ниже).

Недостатки:

• Требуется внешняя нагрузка.

• Малый вытекающий ток (в состоянии «1»), ограниченный внешним нагрузочным резистором.

Характеристики линии связи.

Длинная линия – электрическая линия, образованная двумя параллельными проводниками тока, длина которых превышает длину волны передаваемых электромагнитных колебаний, а расстояние между проводниками значительно меньше длины волны. Длинная линия является системой с распределёнными постоянными (параметрами), так как каждый элемент её длины обладает одновременно некоторыми значениями индуктивности L и активного сопротивления R проводов, ёмкости С и проводимости тока G между проводами. Через эти параметры определяют основные характеристики длинной линии – волновое сопротивление и скорость распространения электромагнитных волн вдоль неё.

Волновое сопротивление – это сопротивление, которое встречает электромагнитная волна при распространении вдоль однородной линии без отражения. В бесконечно длинной линии или линии конечной длины, но нагруженной на сопротивление, равное волновому сопротивлению, не происходит отражения электромагнитных волн и образования стоячих волн. В этом случае линия передаёт в нагрузку практически всю энергию от генератора.

Сопротивление длинной линии имеет в общем случае комплексный характер (содержит активную и реактивную составляющие) и зависит от длины линии и характера электрической нагрузки на её конце (выходе). Для максимальной передачи энергии от источника линии её входное сопротивление должно быть активным и равным внутреннему сопротивлению источника, т. е. согласованным с ним.

Согласование электрических линий связи применяется для обеспечения нормального прохождения сигнала по длинной линии без отражений и искажений.

Рис.24. Передача сигналов по электрическому кабелю.

Следует отметить, что в локальных сетях кабель работает в режиме длинной линии даже при минимальных расстояниях между компьютерами, так как скорости передачи информации и частотный спектр сигнала очень велики. Принцип согласования кабеля прост: на его концах необходимо установить согласующие резисторы (терминаторы) с сопротивлением, равным волновому.Величина волнового сопротивления обязательно указывается в сопроводительной документации на кабель и составляет обычно от 50-100 Ом для коаксиального кабеля, до 100-150 Ом для витой пары или плоского многопроводного кабеля.

 

Виды линий связи

Коаксиальный кабель – кабель, в котором оба проводника тока, образующие электрическую цепь, представляют собой 2 соосных цилиндра. Коаксиальный кабель применяется для передачи электрических сигналов в линиях дальней связи, в антенно-фидерных устройствах радиоэлектронной и телевизионной аппаратуры, между блоками радиотехнической аппаратуры и т.д.

Электромагнитное поле коаксиального кабеля сосредоточено в пространстве между проводниками тока, т.е. внешнего поля нет, и поэтому потери на излучение в окружающее коаксиальный кабель пространство практически отсутствуют. Так как внешний проводник одновременно служит электромагнитным экраном, защищающим электрическую цепь тока от влияний извне, коаксиальный кабель обладает высокой помехозащищенностью. Коаксиальный кабель имеет относительно малые потери энергии передаваемых сигналов.

Витая пара – вид кабеля связи, представляет собой одну или несколько пар изолированных проводников, скрученных между собой (с небольшим числом витков на единицу длины), покрытых пластиковой оболочкой. Скручивание проводов в витую пару преследует следующие цели. Обеспечить одинаковое влияние помехи на оба провода. • Обеспечить компенсацию излучения электромагнитных полей, за счет близкого к 100% взаимного влияния проводников и использование дифференциального (противофазного) сигнала.

Электромагнитные помехи практически постоянно воздействуют на электронные системы. В качестве электромагнитных помех (ЭМП) может фигурировать практически любое электромагнитное явление в широком диапазоне частот, способное негативно влиять на работу аппаратуры. Введем краткую классификацию помех, которая широко используется инженерами, работающими в области ЭМС. В зависимости от источника ЭМП можно разделить на естественные и искусственные. Наиболее распространенной естественной ЭМП является электромагнитный импульс при ударе молнии. Искусственные помехи можно разделить на создаваемые функциональными и нефункциональными источниками. Источник помехи является функциональным, если для него самого создаваемая ЭМП является полезным сигналом. В зависимости от среды распространения ЭМП могут разделяться на индуктивные и кондуктивные. Индуктивными называются ЭМП, распространяющиеся в виде электромагнитных полей в непроводящих средах. Кондуктивные ЭМП представляют собой токи, текущие по проводящим конструкциям и земле. Деление помех на индуктивные и кондуктивные является, условным. В реальности протекает единый электромагнитный процесс, затрагивающий проводящую и непроводящую среду. В ходе распространения многие помехи могут превращаться из индуктивных в кондуктивные и наоборот. Так, переменное электромагнитное поле способно наводить токи в кабелях, которые далее распространяются как классические кондуктивные помехи. С другой стороны, токи в кабелях и цепях заземления сами создают электромагнитные поля, т.е., индуктивные помехи. Деление помех на индуктивные и кондуктивные можно считать относительно строгим лишь в низкочастотной (до десятков кГц) области, когда емкостные и индуктивные связи обычно малы.

 

Симметричная и несимметричная схема передачи сигналов. Для уменьшения влияния электромагнитных помех испльзуются различные способы передачи полезного сигнала.

Дифференциальный сигнал. Сигнал называется дифференциальным, когда по двум отдельным проводам передается два комплементарных (инверсных друг относительно друга) сигнала.

Рис.25 Использование дифференциального сигнала.

На рисунке А видно, что от источника, по двум проводам передается два сигнала инверсные друг относительно друга. Оба сигнала попадают на вычитатель (операционный усилитель). После вычитания инверсных сигналов результирующий сигнал усиливается. На рисунке Б показано влияние помех на схему с дифференциальным сигналом. Суть в том, что помеха, например, наведенная от сети 220В будет синфазной, т.е. в обоих проводах она будет с одинаковой фазой. При попадании такой помехи на вход вычитателя мы получим на выходе 0. Таким образом, видно, что схемы передачи с дифференциальными сигналами обладают защитой от синфазных помех.

 

Несимметричная передача сигнала. Несимметричная или однопроводная схема (single-ended) предполагает, что

Рис 26. Несимметричная передача сигнала.

сигнал передается от источника к приёмнику по одному проводу, а земли источника и приёмника связаны друг с другом. Несимметричная схема передачи данных простая в реализации, но из-за целого ряда проблем не позволяет осуществлять передачу данных с большой скоростью на большие расстояния. Например, интерфейс RS-232C, работающий по несимметричной схеме позволяет передавать данные со скоростью 19200 бит в секунду на расстояние 15 метров, а интерфейс RS-485, работающий по симметричной схеме, позволяет на аналогичном расстоянии работать со скоростью 10 Мб/с. Для однопроводной (несимметричной) схемы передачи сигналов достаточно одного проводника. •

Общие сведения

Внешняя память обычно используется для долговременного хранения информации.

Рис. 27. Структура электронных носителей

Основным видом внешней памяти является магнитная память. Принцип магнитной записи заключается в воздействии электромагнитного поля на ферромагнитный материал магнитной ленты, осуществляемом при записи, а также перезаписи аналогового сигнала. Магнитное поле в процессе записи изменяется в соответствии с изменениями электрических сигналов. Электрические колебания от источника подаются на записывающую головку и возбуждают в ней магнитное поле определенной частоты.

 

Под действием этого поля происходит намагничивание отдельных участков магнитной ленты, равномерно перемещаемой вдоль головок записи, стирания и воспроизведения.

Магнитная лента обладает основным недостатком – способностью размагничиваться при длительном хранении и имеет неравномерную частотную характеристику (различная чувствительность к записи на разных частотах). Кроме того, любая магнитная лента обладает собственными шумами (физические свойства магнитного слоя и способы записи-воспроизведения звука).

Стримеры - ленточные носители используются для резервного копирования с целью обеспечения сохранности данных. Носитель информации в них - магнитные ленты в кассетах и ленточных картриджах. Обычно на магнитную ленту запись осуществляется побайтно, при этом домен соответствует двоичной единице. Если считывающее устройство его не обнаруживает, то полученное значение соответствует нулю.

Компактный оптический диск (CD) – это пластмассовый диск со специальным покрытием, на котором в цифровой форме размещается записанная информация. Благодаря изменению скорости его вращения, дорожка относительно считывающего луча лазера движется с постоянной линейной скоростью. У центра диска скорость выше, а у края – медленнее (1,2–1,4 м/сек). В CD используют лазер с длиной волны излучения = 0,78 мкм. Выделяют три основных вида CD:

· CD-ROM, на которые запись, как правило, осуществляется фабрично методом штамповки с матрицы;

· CD-R, используемые для одно или несколькократной лазерной записи сессиями;

· CD-RW, предназначенные для многократных циклов записи-стирания.

В CD-R (Compact Disk Recordable) поверх отражающего слоя из золота, серебра или алюминия, расположен органический слой специального легкоплавкого пластика. Ввиду этого такой диск чувствителен к нагреванию и воздействию прямых солнечных лучей. Информация на магнитооптических накопителях типа CD-R, представляется чередованием углублений и пиков. Этот рельеф создается при производстве механическим путем. Информация наносится вдоль тонких дорожек. Считывание происходит путем сканирования дорожек лазерным лучом, который по-разному отражается от углублений и пиков.

В CD-RW имеется чувствительный слой из вещества, которое в твердом состоянии может иметь два типа внутренней структуры - кристаллический и аморфный, причем в первом случае эта субстанция прозрачнее, чем во втором. Позади чувствительного слоя находится отражающий, так что при чтении лазерный луч отражается от кристаллических участков сильнее, чем от аморфных. Так и получается последовательность светлых и темных точек, в которой кодируются данные.

Чтобы сделать участок чувствительного слоя "темным", его быстро нагревают мощным лазерным лучом (при этом кристаллическая решетка разрушается), который затем отключают, чтобы вещество остыло в аморфном состоянии. Чтобы сделать этот участок "светлым", его опять-таки прогревают лазером, но до более низкой температуры, причем медленно, постепенно наращивая мощность луча, а затем так, же постепенно снижая ее. При этом кристаллическая решетка восстанавливается, и чувствительный слой снова становится прозрачным. Т.е. слабый нагрев возвращает его обратно в кристаллическое состояние. Таким образом осуществляется перезапись. «Прожигаемая» лазером цифровая информация сохраняется в виде «пит» – чёрточек шириной 0,6–0,8 мкм и длиной 0,9–3,3 мкм.

DVD. В начале 1997 года появился стандарт компакт-дисков под названием DVD (Digital Video Disc), предназначенный в основном для записи высококачественных видеопрограмм. В дальнейшем аббревиатура DVD получила следующее значение – Digital Versatile Disc (универсальный цифровой диск), как более полно отвечающая возможностям этих дисков для записи звуковой, видео, текстовой информации, программного обеспечения ПК и др. DVD обеспечивает более высокое качество изображения, чем CD. В них используется лазер с более короткой длиной волны излучения = 0,635–0,66 мкм. Это позволяет повысить плотность записи, т.е. уменьшить геометрические размеры пит до 0,15 мкм и шаг дорожки до 0,74 мкм. Плотность записи оптических дисков определяется длиной волны лазера, то есть возможностью сфокусировать на поверхности диска луч с пятном, диаметр которого равен длине волны.

Flash-память – переносной энергонезависимый накопитель. Обычно используются следующие стандарты флэш-памяти: CompactFlash, SmartMedia, Memory Stick, Floppy Disks, MultiMedia Cards и др. Они могут использоваться вместо дискет, лазерных и магнитооптических компактных, небольших жёстких дисков. Современные сменные устройства флэш-памяти обеспечивают высокую скорость обмена данными (Ultra High Speed) – более 16,5 Мбит/с. Для подключения к USB-порту компьютера используются специальные USB Flash Drive, представляющие собой мобильные малогабаритные устройства хранения данных, не имеющие подвижны