Структурная схема простейшего процессора.

(18) Основные характеристики процессоров.

2 Основных параметра:

• разрядности

• быстродействию.

Быстродействие процессора - тактовая частота - задает ритм жизни компьютера. Чем выше тактовая частота, тем меньше длительность выполнения одной операции и тем выше производительность компьютера. Она измеряется в мегагерцах (МГц); 1 МГц равен миллиону тактов в секунду.

Разрядность процессора - параметр более сложный. В процессор входит три важных устройства, основной характеристикой которых является разрядность:

• шина ввода и вывода данных;

• внутренние регистры;

• шина адреса памяти.

Разрядность процессора определяет размер обработки данных за один такт, которыми процессор обменивается с оперативной памятью.

Производительность процессора является интегральной характеристикой, которая зависит от частоты процессора, его разрядности, а так же особенностей архитектуры (наличие кэш-памяти и др.). Производительность процессора нельзя вычислить, она определяется в процессе тестирования, т.е. определения скорости выполнения процессором определенных операций в какой-либо программной среде.

(19) Организация и структура памяти ЭВМ.

Организация хранения данных и алгоритмы доступа к ним

• Адресуемая память — адресация осуществляется по местоположению данных.

• Ассоциативная память — адресация осуществляется по содержанию данных, а не по их местоположению.

• Магазинная (стековая) память — реализация стека.

• Матричная память — ячейки памяти расположены так, что доступ к ним осуществляется по двум или более координатам.

• Объектная память — память, система управления которой ориентирована на хранение объектов. При этом каждый объект характеризуется типом и размером записи.

• Семантическая память — данные размещаются и списываются в соответствии с некоторой структурой понятийных признаков.

Структура памяти ЭВМ

Как и большинство устройств ЭВМ, память имеет иерархическую структуру.

Регистровая память процессора.

Входит в состав ЦП (регистры управляющих и операционных блоков процессора), и предназначена для временного хранения информации. Она имеет малую ёмкость и наибольшее быстродействие.

Сверхоперативная память.

Иногда в архитектуре ЭВМ регистровая память организуется в виде сверхоперативного ЗУ с прямой адресацией. Такая память имеет то же назначение как и РОН, служит для хранения операндов, данных и служебной информации, необходимой процессору.

Управляющая память предназначена для хранения управляющих микропрограмм процессора. Выполнена в виде постоянного ЗУ (ПЗУ) или программируемого постоянного ЗУ (ППЗУ). В системах с микропрограммным способом обработки информации УП применяется для хранения однажды записанных микропрограмм, управляющих программ, констант и т.п.

Буферная память.

В функциональном отношении кэш-память рассматривается как буферное ЗУ, размещённое между основной (оперативной) памятью и процессором. Основное назначение кэш-памяти – кратковременное хранение и выдача активной информации процессору, что сокращает число обращений к основной памяти, скорость работы которой меньше, чем кэш-памяти.

Оперативная память (ОП) - служит для хранения активных программ и данных, то есть тех программ и данных, с которыми работает ЭВМ.

Внешняя память (ВнП) - используется для хранения больших массивов информации в течение продолжительного времени. Обычно ВнП не имеет непосредственной связи с процессором. Обмен информацией носит групповой характер, что значительно сокращает время обмена. ВнП обладает сравнительно низким быстродействием (поиск информации). В качестве носителя используются магнитные диски (гибкие и жёсткие), лазерные диски (CD-ROM) и др.

(20) Адресная организации памяти.

В такой памяти размещение и поиск информации в ЗУ основаны на использовании адреса байта или слова. Адресом служит порядковый номер ячейки ЗМ, в которой это слово размещается.

При каждом обращении к ЗУ необходимо указывать номер (адрес) ячейки памяти, в которой размещается нужная информация. Для приема адреса служит регистр адреса. Этот адрес дешифруется дешифратором адреса, который формирует сигнал на одном из своих выходов. При этом номер этого выхода равен самому адресу. Таким образом, дешифратор указывает номер ячейки памяти, к которой происходит обращение. При чтении информации из ЗУ устройство управления формирует управляющий сигнал «чтение», под действием которого прочитанное из ЗУ слово поступает в усилители чтения, а оттуда в регистр информации.

Занесение прочитанного слова в происходит под действием управляющего сигнала “Прием информации из ЗМ”. Аналогично происходит запись информации в ЗМ. При этом записываемое слово поступает в регистр, а оттуда через усилитель записи под действием сигнала «запись» в выбранную ячейку ЗМ. Любой цикл обращения к памяти инициируется поступлением сигнала «обращение». На УУ поступают также сигналы «чтение» и «запись», которые указывают вид выполняемой в ЗУ операции (запись или чтение).

Для построения адресной памяти используются микросхемы памяти, в состав которых кроме ЗМ входят также усилители чтения и записи, а также дешифратор памяти.

(21) Ассоциативная организация памяти.

Зачастую удобнее искать информацию не по адресу, а опираясь на какой-нибудь характерный признак, содержащийся в самой информации. Именно такой признак и лежит в основе ЗУ, известного как ассоциативное запоминающее устройство (АЗУ) (другие названия: память, адресуемая по содержанию; память, адресуемая по данным; память с параллельным поиском; каталоговая память)

АЗУ – это устройство, которое способно хранить информацию, сравнивать ее с некоторыми заданным образцом и указывать на их соответствие или несоответствие друг другу.

Ассоциативный признак – признак, по которому производиться поиск информации. Ассоциативный признак, может быть частью искомой информации или дополнительно придаваться ей (тег или ярлык).

Признак поиска – комбинация, выступающая в роли образца для поиска.

Построение ассоциативной памяти включает в себя:

• Запоминающий массив для хранения N m-разрядных слов, в каждом из которых несколько младших разрядов занимает служебная информация;

• Регистр ассоциативного признака, куда помещается код искомой информации (признак поиска)

• Схемы совпадения, используемые для параллельного сравнения каждого бита всех хранимых слов с соответствующим битом признака поиска и выработки сигналов совпадения;

• Регистр совпадений, где каждой ячейке запоминающего массива соответствует один разряд, в который заносится единица, если все разряды соответствующей ячейки совпали с одноименными разрядами признака поиска;

• Регистр маски, который позволяет запретить сравнение определенных битов;

• Схему управления чтением/записью, которая на основании анализа содержимого регистра совпадений формирует сигналы, характеризующие результаты поиска информации, а также обеспечивает выбор ячейки для записи новой информации.

Когда происходит обращение к ассоциативному запоминающему устройству, то сначала в регистре маски обнуляются те разряды которые не должны учитываться при поиске информации, а все разряды регистра совпадений устанавливаются в единичное состояние. Потом в регистр ассоциативного признака заносится код искомой информации (признак поиска) и начинается ее поиск, в процессе которого схемы совпадения одновременно сравнивают первый незамаскированный бит всех ячеек запоминающего массива с первым битом признака поиска. Те схемы, которые зафиксировали несовпадение, формируют сигнал, который переводит соответствующий бит регистра совпадений в нулевое состояние. Также происходит процесс поиска для остальных незамаскированных битов признака поиска. В итоге единицы сохраняются лишь в тех разрядах регистра совпадений, которые соответствуют ячейкам, где находится искомая информация. Конфигурация единиц в регистре совпадений используется в качестве адресов, по которым производится считывание из запоминающего массива.

Из-за того, что результаты поиска могут быть неоднозначными, то содержимое регистра совпадений подается на схему управления чтения/записи, где формируются сигнала, которые извещают о том, что искомая информация: найдена; содержится в одной ячейке; содержится более чем в одной ячейке.

Операция контроля ассоциации – формирование содержимого регистра совпадений и сигналов (упомянутых выше).

При считывании сначала производится контроль ассоциации по аргументу поиска. Если информация не найдена, считывание отменяется. При обнаружении лишь одного совпадения считывается слово, на которое указывает единица в регистре совпадений, а при большем числе совпадений сбрасывается самая старшая единица в регистре совпадений, и извлекается соответствующее ей слово. Повторяя эту операцию, можно последовательно считать все слова. Считывание заканчивается тогда, когда все разряды регистра совпадений будут содержать нули.

(22) Стековая организация памяти.

Рассмотрим организацию стековой памяти, как памяти, образованной из связанных между собой ячеек памяти, в которых информация при записи в стек нового слова смещается вниз. Обмен информацией осуществляется только через верхнюю ячейку памяти. При считывании слов из стека, слово может удаляться из стековой памяти или сдвигаться по кольцу, в зависимости от организации стека. Режим чтения – последним вошел, первым вышел - называют LIFO (Last In First Out).

Организация стековой памяти.

Аппаратная реализация такой памяти не всегда целесообразна и зачастую стековая память организуется в основной памяти компьютера программно, что позволяет изменять объем стека в зависимости от необходимости. При организации  стека в основной памяти выделяется специальный адресный регистр –“указатель стека”. В указателе стека находится адрес последнего записанного в стек слова. При записи слова в стек адрес вершины стека автоматически уменьшается, при чтении - автоматически увеличивается. Стековая память используется обычно для сохранения состояния текущей программы при обработке прерывания. После выполнения прерывающей программы состояние всех регистров, существовавшие в момент прерывания программы восстанавливается в последовательности, обратной последовательности записи. Можно сохранять в стеке и данные программы, это удобно тем, что при обращении к стеку не требуется указывать в программе адреса ячейки памяти, извлечение информации из стека так же происходит без указания адреса.

(23) Адресная память с произвольным обращением (random access memory).

Оперативная память ЭВМ является адресной. Это значит, что каждая хранимая в ОЗУ единица информации (байт или слово) ставится в соответствии со специальным числом, называемым адресом, которое определяет месторасположение этой информации в памяти. Минимальной, адресуемой в памяти единицей информации является байт, т.е. восьмиразрядный код. Более крупные единицы информации (полуслово, слово, двойное слово) образуются из целого числа байт.

В мини- и микро-ЭВМ нумерация бит и байт в слове производится справа налево. В машинах общего назначения нумерация бит и байт в слове производится слева направо. Адресом слова является адрес его байта с наименьшим номером.

Основными операциями в памяти являются запись и чтение. Обе эти операции называются «обращение к памяти». Емкость памяти определяется максимальным количеством данных, которые в ней могут храниться.

В зависимости от реализуемых в памяти операций обращения различают:

А) память с произвольным обращением (RAM – Random Access Memory);

Б) память только для чтения информации (ROM – Read Only Memory), такая память носит название односторонней или постоянной.

ЗУ с произвольным обращением времени - ЗУ, позволяющие в произвольной последовательности обращаться к любой ячейке без существенных различий во времени обращения к памяти. В ЗУ с произвольным обращением время, необходимое для записи или считывания информации, является постоянной величиной, не зависящей от того, к какой ячейке ЗУ производится обращение и определяется только быстродействием схем, осуществляющих выборку. Примером такого ЗУ может служить ЗУ на ферритовых сердечниках.

Виды ЗУПВ

На полупроводниках

• Полупроводниковая статическая— ячейки представляют собой полупроводниковые триггеры.

Достоинства — небольшое энергопотребление, высокое быстродействие. Отсутствие необходимости производить «регенерацию». Недостатки — малый объём, высокая стоимость. Благодаря принципиальным достоинствам широко используется в качестве кеш-памяти процессоров в компьютерах.

• Полупроводниковая динамическая — каждая ячейка представляет собой конденсатор на основе перехода КМОП-транзистора.

Достоинства — низкая стоимость, большой объём. Недостатки — необходимость периодического считывания и перезаписи каждой ячейки — т. н. «регенерации», и, как следствие, понижение быстродействия, большое энергопотребление. Процесс регенерации реализуется специальным контроллером, установленным на материнской плате или в центральном процессоре. DRAM обычно используется в качестве оперативной памяти (ОЗУ) компьютеров

.

На ферромагнетиках

Представляет собой матрицу из проводников, на пересечении которых находятся кольца или биаксы, изготовленные из ферромагнитных материалов.

Достоинства — устойчивость к радиации, сохранение информации при выключении питания; недостатки — малая ёмкость, большой вес, стирание информации при каждом чтении. В настоящее время в таком, собранном из дискретных компонентов виде, не применяется. Однако к 2003 году появилась магнитная память MRAM в интегральном исполнении. Сочетая скорость SRAM и возможность хранения информации при отключённом питании, MRAM является перспективной заменой используемым ныне типам ROM и RAM

(24) Структуры адресных запоминающих устройств 2D.

Т ип используемых запоминающих элементов (ЗЭ) определенным образом влияет на структуру памяти, в результате чего существует большое разнообразие структур ЗУ.

Совокупность определенным образом соединенных ЗЭ образует запоминающую матрицу или запоминающий массив, где каждый ЗЭ хранит бит информации. Запоминающий элемент должен реализовать следующие режимы работы: хранение состояния, выдача сигнала состояния (считывание), запись 0 или запись 1. К ЗЭ должны поступать управляющие сигналы для задания режима работы, а также информационный сигнал при записи, а при считывании ЗЭ должен выдавать сигнал о его состоянии.

Запоминающий массив имеет систему адресных и разрядных линий (проводников). Адресные линии используются для выделения по адресу совокупности ЗЭ, которым устанавливается режим считывания или записи. Выделение отдельных разрядов осуществляется разрядными линиями, по которым передается записываемая в ЗЭ информация или информация о состоянии ЗЭ.

Запоминающие устройства строятся из специфичных ЗЭ, для которых характерно использование троичных сигналов и совмещение линий входных и выходных сигналов.

Адресные и разрядные линии носят общее название линий выборки. В зависимости от числа таких линий, соединенных с одним ЗЭ, различают двух- и трехкоординатные ЗУ и т. д., называемые ЗУ типа 2D, 3D и т. д. (от английского dimention - размерность).

2D.

Организация ЗУ типа 2D обеспечивает двухкоординатную выборку каждого ЗЭ ячейки памяти. Основу ЗУ составляет плоская матрица из ЗЭ, сгруппированных в 2k ячеек по n разрядов. Обращение к ячейке задается k-разрядным адресом, выделение разрядов производится разрядными линиями записи и считывания. Адрес (k-разрядный) выбираемой ячейки i поступает на схему адресного формирователя АдрФ, управляемого сигналами чтения Чт и записи Зап. Основу АдрФ составляет дешифратор с 2k выходами, который при поступлении на его входы адреса формирует сигнал для выборки линии i, при этом под воздействием сигналов Чт и Зап из АдрФ выдается сигнал, настраивающий ЗЭ i-й линии либо на считывание (выдачу сигнала состояния), либо на запись. Выделение разряда j в i-м слове производится второй координатной линией. При записи по линии j от усилителя записи УсЗап поступает сигнал, устанавливающий выбранный для записи 3Эij- в состояние 0 или 1. При считывании на усилитель считывания УсСч по линии j поступает сигнал о состоянии 3Эij.

Используемые здесь ЗЭ должны допускать объединение выходов для работы на общую линию с передачей сигналов только от выбранного ЗЭ. Такое свойство типично для современных ЗЭ и в дальнейшем всякий раз подразумевается.

Таким образом, каждая адресная линия выборки ячейки передает три значения сигнала: выборка при записи, выборка при считывании и отсутствие выборки. Каждая разрядная линия записи передает в ЗЭ записываемый бит информации, а разрядная линия считывания - считываемый из ЗЭ бит информации. Линии записи и считывания могут быть объединены в одну при использовании ЗЭ, допускающих соединение выхода со входом записи. Запоминающие устройства типа 2D являются быстродействующими и достаточно удобными для реализации. Однако ЗУ типа 2D неэкономичны по объему оборудования из-за наличия в них дешифратора с 2k выходами. В настоящее время структура типа 2D используется в основном в ЗУ небольшой емкости.

(25) Структуры адресных запоминающих устройств 2,5D.

В ЗУ этого типа при считывании состояния j-го разряда i-й ячейки положение 3Эij в запоминающем массиве (ЗМ) определяется тремя координатами (две координаты для выборки и одна для выходного сигнала), а при записи в 3Эij - двумя координатами. Считывание при этом осуществляется так же, как и в ЗУ типа 3D, а запись сходна с записью в ЗУ типа 2D.

Запоминающий массив ЗУ типа 2,5D можно рассматривать как состоящий из отдельных ЗМ для каждого разряда памяти: ЗМ0, ЗМ1..., ЗМj,..., ЗМn-1.

Код адреса i-й ячейки памяти разделяется на две части: i' и i", каждая из которых отдельно дешифрируется. Адресный формирователь АдрФ выдает сигнал выборки на линию i', разрядно-адресный формирователь j-гo разряда РАдрФ - на линию i". При считывании оба сигнала, являющиеся сигналами выборки для считывания, опрашивают ЗЭ, выходной сигнал которого поступает на УсСч разряда j.

При записи АдрФ выдает сигнал выборки для записи, а РАдрФ выдает по линии i" сигнал записи 0 или 1 в зависимости от назначения входного информационного сигнала j-гo разряда ВхИнФj. На остальных линиях РадрФi не появляются сигналы записи, и состояния всех ЗЭ, кроме ЗЭ, лежащего на пересечении линий i' и i", не меняются.

Наиболее экономичным по расходу оборудования ЗУ оказывается в том случае, если число выходных линий АдрФ и всех РАдрФ равно, т.е. если r = (k - r) log2 п.

Недостатком ЗУ типа 2,5 D является то, что сигналы на линиях РАдрФ должны иметь четыре значения: чтение, запись О, запись 1 и отсутствие записи (хранение). Для ЗЭ с разрушающим считыванием сигналы чтения и записи 0 совпадают и потребуются лишь три значения сигнала. В связи с этим ЗУ типа 2,5D используется для ЗЭ с разрушающим считыванием (со стиранием информации).

(26) Структуры адресных запоминающих устройств 3D.

Некоторые ЗЭ имеют не один, а два конъюнктивных входа выборки. В этом случае адресная выборка осуществляется только при одновременном появлении двух сигналов. Использование таких ЗЭ позволяет строить ЗУ с трехкоординатным выделением ЗЭ.

Запоминающий массив ЗУ типа 3D выполнен в виде пространственной матрицы, составленной из n плоских матриц, представляющих собой запоминающий массив (ЗМ) для отдельных разрядов ячеек памяти. Запоминающие элементы для разряда сгруппированы в квадратную матрицу из 2k рядов по 2k ЗЭ в каждом.

Для адресной выборки ЗЭ задаются две его координаты в 3Mj. Код адреса i -й ячейки памяти разделяется на старшую и младшую части (i' и i"), каждая из которых поступает на свой адресный формирователь. Адресный формирователь АдрФ1 выдает сигнал выборки на линию i', а АдрФ2 - на линию i”. В результате в 3Mj оказывается выбранным ЗЭ, находящийся на пересечении этих линий (двух координат), т. е. адресуемый кодом i=i'/i". Адресные формирователи управляются сигналами Чт и Зап и в зависимости от них выдают сигналы выборки для считывания или записи. При считывании сигнал о состоянии выбранного ЗЭ поступает по j-й линии считывания к УсСч (третья координата ЗЭ). При записи в выбранный ЗЭ будут занесены 0 и 1 в зависимости от сигнала записи в j -й разряд, поступающего по j -й линии от УсЗап (третья координата ЗЭ при записи). Для полупроводниковых ЗУ, как отмечалось выше, характерно объединение в одну линию разрядных линий записи и считывания.

Для построения n-разрядной памяти используется n матриц рассмотренного вида. Адресные формирователи при этом могут быть общими для всех разрядных ЗМ.

Запоминающие устройства типа 3D более экономичны, чем ЗУ типа 2D. Действительно, сложность адресного формирователя с m входами пропорциональна 2m. Поэтому сложность двух адресных формирователей ЗУ типа 3D, пропорциональная 2-2k/2, значительно меньше сложности адресного формирователя ЗУ типа 2D, пропорциональной 2k. В связи с этим структура типа 3D позволяет строить ЗУ большего объема, чем структура 2D. Однако ЗЭ с тремя входами, используемыми при записи, не всегда удается реализовать.

(27) Структуры адресных запоминающих устройств 2D-М.

З апоминающие элементы таких ЗУ имеют два входа и один выход.

При наличии хотя бы одного пустого сигнала ~ на входах ЗЭ при записи находится в режиме хранения (как в ЗУ 3D). Сигнал чтения Чт опрашивает состояние ЗЭ (так же как и в ЗУ типа 2D). Сигналы записи Зап. и Зап 0 устанавливают ЗЭ в состояние 0, а Зап и Зап1 - в состояние 1 (так же, как и в ЗУ типов 2D и 2,5D).

Обычно у запоминающих элементов ЗУ типа 2D-M выход объединяется с входом записи, как это показано для ЗЭ на рис.

Структура одноразрядного ЗУ типа 2D-M

Как и в ЗУ типа 2,5 D, код адреса i-й ячейки разделяется на две части: i' и i", одна из которых поступает на АдрФ, а другая - на разрядно-адресный коммутатор РАдрК. Если на АдрФ и РАдрК не приходит сигнал обращения к памяти Обр, то на их выходных линиях не возникают действующие на ЗЭ сигналы и все ЗЭ находятся в режиме хранения. При наличии сигнала Обр выполняется считывание или запись в зависимости от значения сигнала Чт/Зап. При считывании АдрФ выдает по линии i' сигнал выборки для считывания, по которому со всех ЗЭ линии i' сигналы их состояний поступают на РАдрК. Коммутатор РАдрК мультиплексирует эти сигналы и передает на выход ИнфВых сигнал с линии i". При записи АдрФ выдает по линии i' сигнал выборки для записи. Коммутатор РАдрФК в зависимости от значения ИнфВх выдает сигнал записи 0 или 1 на линию i" и сигналы, не воздействующие на ЗЭ, в остальные линии. В результате запись производится только в ЗЭ, лежащий на пересечении координатных линий i' и i", причем i'/i" = i.

П остроив схему, аналогичную схеме на рис., получим ЗУ для 2^k n-разрядных ячеек. Наиболее экономична такая схема при r = (k - r) log₂ n.

Структура типа 2D-M наиболее удобна для построения полупроводниковых ЗУ и широко используется в настоящее время как в оперативных, так и в постоянных ЗУ.

(28) Постоянные запоминающие устройства.

ПЗУ - постоянные запоминающие устройства или ROM (Read Only Memory), служат для хранения постоянных данных и служебных программ. Постоянным запоминающим устройством принято называть ЗУ с неизменяемым содержимым памяти, для которого основным рабочим режимом является считывание. ПЗУ обычно является адресным ЗУ, а его функционирование можно рассматривать как выполнение однозначного преобразования k-разрядного кода адреса ячейки накопителя в n-разрядный код хранящегося в ней слова. При таком подходе любое ПЗУ можно считать преобразователем кодов или комбинационной схемой с k-входами и n-выходами. По сравнению с ЗУ, допускающими как считывание, так и запись информации, структура ПЗУ значительно проще, их быстродействие и надежность выше, а стоимость ниже. Это объясняется простотой запоминающих элементов, отсутствием цепей оперативной записи информации, неразрушающим считыванием, исключающим процедуру регенерации информации.

Обычно ПЗУ организуется как ЗУ типа 2Д (рис. 4.11). Накопитель представляет собой матрицу, образуемую системой взаимно перпендикулярных шин, на пересечении которых находятся элементы связи (ЭС). Подобные структуры ПЗУ называются матричными. Элемент связи либо соединяет, либо не соединяет между собой соответствующие горизонтальную и вертикальную шины. Наличие связи соответствует коду 1, отсутствие - коду 0. В некоторых случаях коду 0 соответствует отсутствие ЭС. При считывании дешифратор (DC) по коду адреса, поступившего в RGA (регистр адреса) по КША (контр. шина адреса), выбирает одну из адресных шин, в которую подается сигнал выборки. Выходной сигнал появляется на тех разрядных шинах, которые имеют связь с возбужденной адресной шиной. Поскольку ПЗУ используется лишь в режиме считывания, информация, хранящаяся в накопителе, не изменяется в процессе работы устройства. Занесение же информации в ПЗУ производится или в процессе изготовления, или непосредственно при эксплуатации. Процесс занесения информации в накопитель ПЗУ называют программированием ПЗУ.

По возможности программирования все ПЗУ делятся на устройства с возможностью однократного и многократного программирования. ПЗУ с возможностью многократного программирования путем электрического, магнитного или светового воздействия на ЭЗ по заданной программе называют также перепрограммируемыми ПЗУ или полупостоянными ПЗУ (ППЗУ).

По типу элементов связи различают трансформаторные, резистивные, емкостные, индуктивные, полупроводниковые ПЗУ, а также ПЗУ на биаксах и др.

Постоянные ЗУ на биаксах относятся к перепрограммируемым ПЗУ и допускают многократное неразрушающее считывание. Запись же информации в ПЗУ является неосновным режимом и выполняется обычно с использованием принципа совпадения токов.

Биакс представляет собой ферромагнитный элемент с двумя взаимно перпендикулярными отверстиями. Принцип работы биакса основан на взаимодействии двух взаимно перпендикулярных магнитных потоков. Для того, чтобы использовать биакс в качестве запоминающего элемента, сквозь его отверстия пропускают три шины: шину записи W_зп, шину считывания W_сч и выходную шину W_вых.

Емкостные ПЗУ в накопителях в качестве запоминающих элементов используют емкости между специальными площадками на адресных и разрядных шинах, создаваемых в местах пересечения этих шин. Информация в емкостных ПЗУ может изменяться с помощью специального устройства пробивок отверстий в пластинах и замены пластин. Пластины выполняются в виде металлических перфокарт и по программе перфорируются. В этом смысле емкостное ПЗУ может рассматриваться как программируемое ПЗУ.

(29) Системы прерываний.

Для обработки событий, происходящих асинхронно по отношению к выполнению программы, лучше всего подходит механизм прерываний. Прерывание - некоторое особое событие в системе, требующее моментальной реакции.

Кажется очевидным, что возможны самые разнообразные прерывания по самым различным причинам. Поэтому прерывание рассматривается не просто как таковое: с ним связывают число, называемое номером типа прерывания или просто номером прерывания. С каждым номером прерывания связывается то или иное событие. Система умеет распознавать, какое прерывание, с каким номером оно произошло, и запускает соответствующую этому номеру процедуру.

Программы могут сами вызывать прерывания с заданным номером. Для этого они используют команду INT. Это так называемые программные прерывания. Программные прерывания не являются асинхронными, так как вызываются из программы (а она-то знает, когда она вызывает прерывание!).

Программные прерывания удобно использовать для организации доступа к отдельным, общим для всех программ модулям. Например, программные модули операционной системы доступны прикладным программам именно через прерывания, и нет необходимости при вызове этих модулей знать их текущий адрес в памяти. Прикладные программы могут сами устанавливать свои обработчики прерываний для их последующего использования другими программами. Для этого встраиваемые обработчики прерываний должны быть резидентными в памяти.

Аппаратные прерывания вызываются физическими устройствами и приходят асинхронно. Эти прерывания информируют систему о событиях, связанных с работой устройств, например о том, что наконец-то завершилась печать символа на принтере, и неплохо было бы выдать следующий символ, или о том, что требуемый сектор диска уже прочитан, его содержимое доступно программе.

Использование прерываний при работе с медленными внешними устройствами позволяют совместить ввод/вывод с обработкой данных в центральном процессоре и в результате повышает общую производительность системы.

Некоторые прерывания (первые пять в порядке номеров) зарезервированы для использования самим центральным процессором на случай каких-либо особых событий вроде попытки деления на ноль, переполнения и т.п.

Чтобы ЭВМ могла, не требуя больших усилий от программиста, реализовывать с высоким быстродействием прерывания программ, машине необходимо придать соответствующие аппаратурные и программные средства, совокупность которых получила название системы прерывания программ или контроллера прерывания.

Основными функциями системы прерывания являются: запоминание состояния прерываемой программы и осуществление перехода к прерывающей программе, а также восстановление состояния прерванной программы и возврат к ней.

Характеристики системы прерывания.

Общее число запросов прерывания (входов в систему прерывания).

Время реакции - время между появлением запроса прерывания и началом выполнения прерывающей программы.

Для одного и того же запроса задержки в исполнении прерывающей программы зависят от того, сколько программ со старшим приоритетом ждут обслуживания. Поэтому время реакции определяют для запроса с наивысшим приоритетом.

Время реакции зависит от того, в какой момент допустимо прерывание. Большей частью прерывание допускается после окончания текущей команды. В этом случае время реакции определяется в основном длительностью выполнения команды.

Затраты времени на переключение программ (издержки прерывания) равны суммарному расходу времени на запоминание (t_з) и восстановление состояния программы (t_в)

t_изд = t_з + t_в

Глубина прерывания - максимальное число программ, которые могут прерывать друг друга.

Если после перехода к прерывающей программе и вплоть до ее окончания прием других запросов запрещается, то говорят, что система имеет глубину прерывания, равную 1. Глубина равна n, если допускается последовательное прерывание до n программ. Глубина прерывания обычно совпадает с числом уровней приоритета в системе прерываний.

Если запрос окажется не обслуженным к моменту прихода нового запроса от того же источника, то возникнет так называемое насыщение системы прерывания. В этом случае предыдущий запрос прерывания от данного источника будет машиной утрачен, что недопустимо. Быстродействие ЭВМ, характеристики системы прерывания, число источников прерывания и частота возникновения запросов должны быть согласованы таким образом, чтобы насыщение было невозможным.

Совокупность запросов, инициирующих одну и ту же прерывающую программу, образует класс или уровень прерывания. Объединение запросов в классы прерывания позволяет уменьшить объем аппаратуры, но связано с замедлением работы системы прерывания.

Вектор прерывания - вектор начального состояния прерывающей программы. Вектор прерывания содержит всю необходимую информацию для перехода к прерывающей программе, в том числе ее начальный адрес. Векторы прерывания обычно находятся в специально выделенных фиксированных ячейках памяти. Главное место в процедуре перехода к прерывающей программе занимают передача из соответствующего регистра (регистров) процессора в память (в частности, в стек) на сохранение текущего вектора состояния прерываемой программы (чтобы можно было вернуться к ее исполнению) и загрузка в регистр (регистры) процессора вектора прерывания прерывающей программы, к которой при этом переходит управление процессором.

Различают абсолютный и относительный приоритеты. Запрос, имеющий абсолютный приоритет, прерывает выполняемую программу и инициирует выполнение соответствующей прерывающей программы. Запрос с относительным приоритетом является первым кандидатом на обслуживание после завершения выполнения текущей программы.

Простейший способ установления приоритетных соотношений между запросами (уровнями) прерывания состоит в том, что приоритет определяется порядком присоединения линий сигналов запросов ко входам системы прерывания. При появлении нескольких запросов прерывания первым воспринимается запрос, поступивший на вход с меньшим номером.

(30) Адресация данных и команд. Прямые способы адресации.

Адресация – способ указания адреса. (пр-р: команды работают с операндами (аргумент операции ну или данные обрабатываемые командой), расположение которых необходимо каким-то образом указать).

Память разделена на ячейки, которые имеют последовательные адреса.

Внутри компьютера данные должны быть представлены в какой-либо особой форме.

Данные:

• числовые

• нечисловые.

Под командами понимаются инструкции необходимые для выполнения, каких либо действий в вычислительной машине (команды управляют действиями машины).

Типы команд:

• команды пересылки данных;

• команды арифметической и логической обработки;

• команды работы со строками;

• команды преобразования;

• команды ввода/вывода; команды управления потоком команд.

Каждая команда компьютера определяет операцию над определенными данными. Для определения адреса этих данных существуют различные способы адресации.

Операнды команд в программе, написанной на машинном языке, могут храниться в регистре общего назначения, в регистре сегмента или в ячейке памяти.

Регистр - сверхбыстрая память внутри процессора, предназначенная для хранения адресов и промежуточных результатов вычислений (регистр общего назначения/регистр данных) или данных, необходимых для работы самого процессора.

Прямая адресация: способ определения операнда – просто дать его полный адрес. Т.е. при прямой адресации адресный код прямо указывает номер ячейки памяти, к которой производиться обращение. Такой способ самый простой в реализации, но имеет недостатки, например, команда всегда имеет доступ только к одному и тому же адресу памяти, т.е. значение может меняться, а адрес остается прежним. Адрес указанный в команде не может быть изменен в процессе вычислений.

Прямая адресация может быть двух типов:

• Относительная прямая адресация. Используется для команд условных переходов, для указания относительного адреса перехода. Относительность такого перехода заключается в том, что в поле смещения машинной команды содержится 8, 16 или 32-битное значение, которое в результате работы команды будет складываться с содержимым регистра указателя команд ip/eip. В результате такого сложения получается адрес, по которому и осуществляется переход.

• Абсолютная прямая адресация. В этом случае эффективный адрес является частью машинной команды, но формируется этот адрес только из значения поля смещения в команде. Для формирования физического адреса операнда в памяти микропроцессор складывает это поле со сдвинутым на 4 бит значением сегментного регистра. В команде ассемблера можно использовать несколько форм такой адресации.

Регистровая адресация напоминает прямую адресацию. Отличие в том, что адресное поле команды указывает не на ячейку памяти, а на регистр процессора.

(31) Адресация данных и команд. Прямые способы адресации.

Косвенная адресация: адресный код команды в этом случае указывает адрес ячейки памяти, в которой находится адрес операнда или команды.

Косвенная регистровая адресация представляет собой косвенную адресацию, но тут адресный код команды указывает не на ячейку памяти, а на регистр, в котором в свою очередь содержится адрес операнда или команды.

При косвенной адресации содержимое адресного ноля команды остается неизменным, в то время как косвенный адрес в процессе выполнения программы можно изменять. Это позволяет проводить вычисления, когда адреса операндов заранее неизвестны и появляются лишь в процессе решения задачи. Дополнительно такой прием упрощает обработку массивов и списков, а также передачу параметров подпрограммам.

Недостатком косвенной адресации является необходимость в двукратном обращении к памяти: сначала для извлечения адреса операнда, а затем для обращения к операнду (TКА =2* tЗУ). Сверх того задействуется лишняя ячейка памяти для хранения исполнительного адреса операнда.

(32) Назначение и принцип работы системы прерываний ЭВМ.

Система прерываний – это совокупность аппаратных и программных средств, которая позволяет вычислительной машине на время прервать выполнение текущей программы, передать управление другой программе, а после ее отработки возвратиться к выполнению прерванной программы. Естественно, что прерывания происходят при получении соответствующего запроса (запроса прерывания).

Программа, которая дала запрос на прерывание, называют прерывающей или программой обработки прерываний (обработчик прерываний).

Очень важно, чтобы прерванная программа после возобновления работала так, как будто никакого прерывания не было.

В зависимости от характера события, сигналы прерываний делят на:

• Внешние (например устройства ввода вывода, или другие внешние устройства);

• Внутренние, которые формируются внутри процессора (могут возникать например при делении на ноль, неверном коде команд);

• Программные (системные прерывания) прерывания возникают при обращении пользовательской программы к ОС.

Прерывания дают возможность последовательной обработки запросов от разных устройств, т.е. своевременного реагирования на всевозможные запросы.

Принцип работы системы прерываний:

1) установка запрета на прием запросов прерывания;

2) сохранение всех информации прерванной программы, которая необходима для возобновления выполнения это программы (контекста программы) после завершения обработки прерывания;

3)снятие запрета на прием запросов прерывания;

4) идентификация источника запроса прерывания, определение нужного обработчика прерывания и его запуск;

5)завершение программы обработки прерывания;

6)установка запрета на прием запросов прерывания;

7) восстановление контекста прерванной программы (возврат к состоянию на момент прерывания);

8) снятие запрета на прием запросов прерывания;

9) возврат к выполнению прерванной программы.

Основные характеристики системы прерываний:

• число источников запросов прерывания (количество входов в систему прерывания);

• глубина прерывания — максимальное число программ, которые могут прервать друг друга;

• время реакции на запрос прерывания — время между появлением запроса прерывания и началом выполнения прерывающей программы; определяется для запроса с наивысшим приоритетом;

• затраты времени на переключение программ — складываются из времени, необходимого для запоминания контекста прерываемой программы, и времени, необходимого для восстановления контекста прерванной программы .

Вектор прерывания — закреплённый за устройством номер, который идентифицирует соответствующий обработчик прерываний. Векторы прерываний объединяются в таблицу векторов прерываний, содержащую адреса обработчиков прерываний.

Контроллер прерываний — микросхема или встроенный блок процессора, отвечающий за возможность последовательной обработки запросов на прерывание от разных устройств. Как правило, представляет собой электронное устройство, иногда выполненное как часть самого процессора или же сложных микросхем его обрамления, входы которого присоединены электрически к соответствующим выходам различных устройств.

(33) Организация системы прерываний ЭВМ.

Назначение системы прерываний – это быстрая реакция на события, происходящие как внутри ЭВМ, так и за ее пределами. Прерывания, вызванные вне ЭВМ, вызываются внешними устройствами, периферийными устройствами (напр. клава). Под операцией прерывания понимается прекращение процесса выполнения текущей проги и переключение процессора на выполнение другой проги, обслуживающей причину прерывания. Основное назначение прерываний – это реагирование на критические события. По завершению обслуживания прерывания, прерванный процесс необходимо восстановить и продолжить (с того места, на котором он был прерван). С целью запоминания процесса необходимо собрать всю информацию о текущем состоянии. Данную информацию обычно называют вектор состояния процесса. Он включает слово состояния процессора (ССП), которое включает адрес следующей команды и признаки состояния (различные флаги, значения переменных, значение регистров общего назначения (РОН) и т.д.). Сам вектор состояния процесса располагается в области оперативной памяти, которая обычно организована как стек.

Операция прерывания сводится к выполнению следующих действий:

• выполнение текущей проги прерывается. Прерывание осуществляется по завершении i-той команды проги. Выполнение команды i+1 не начинается.

• запоминается информация о состоянии процессора в виде ССП (адрес следующей команды i+1, признаки результата, различные флаги, маски и т.д.).

• управление передается специальной проге (обработчику), обслуживающей данную причину прерывания. Данная прога выполняет все действия, необходимые для данного прерывания.

Обработчик прерываний.

Типовая структура обработчика прерываний состоит в следующем:

• сохранение используемых в регистре общего назначения данных в ОП.

• обработка прерывания.

• восстановление регистров общего назначения (из ОП в РОН).

Причины формирования прерываний.

Все причины делят на внутренние и внешние.

К внутренним причинам относят два типа:

• это события, при возникновении которых нормальное продолжение выполняемого процесса невозможно (или бессмысленно).

• причины, естественные для выполняемого процесса.

К внешним причинам (события которые возникают вне вычислительной системы) относят:

• от неких внешних устройств ввода/вывода (напр. клавиатурное прерывание).

• от различных таймеров.

• другие вычислительные системы (ПК, микро ЭВМ и т.д.).

Прерывание от УВВ.

Данные прерывания запускаются в момент готовности устройства к обмену информацией. Данный способ ВВ используется для обслуживания медленнодействующих периферийных устройств (напр. клавиатура).

Бессмысленное выполнение программы.

Это могут быть сигналы с различных схем контроля, систем локализации неисправностей и т.д. Иногда обработчиком прерываний может быть человек (некий оператор, ремонтник и т.д.).

(34) Системы ввода-вывода.

Система ввода-вывода служит посредником между процессами вычислительной системы и разнообразными внешними устройствами.

В компьютерной системе каждое устройство ввода-вывода подключено к соответствующему порту. Устройство и порт имеют свои контроллеры – специализированные процессоры для управления ими. Процессор, память и внешние устройства в системе соединены общей системной шиной (наиболее распространена шина PCI). Каждое устройство имеет адрес, используемый командами непосредственного ввода-вывода и ввода-вывода, отображаемого в память.

ОС периодически, с помощью прерываний по таймеру, выполняет опрос всех внешних устройств – проверку их состояния. Возможные состояния: готово к выполнению команд, занято, ошибка.

Контроллер устройства по окончании ввода-вывода генерирует сигнал о прерывании, в результате управление получает обработчик прерывания – модуль ядра ОС. Указатели обработчиков всех видов прерываний собраны в резидентный массив – вектор прерываний.

Для оптимизации ввода-вывода используется прямой доступ к памяти (DMA) – метод организации ввода-вывода, при котором в качестве буфера устройства используется фрагмент основной памяти. Данный метод основан на использовании специальных DMA-контроллеров. DMA позволяет разгрузить процессор, освободив его от работы по пересылки данных для ввода-вывода.

В операционной системе API для ввода-вывода имеет иерархическую структуру. Системные вызовы – верхний уровень – инкапсулируют поведение устройств ввода-вывода. Более низкий уровень – драйверы устройств – скрывают различия между контроллерами устройств от ядра ОС.

Устройства ввода-вывода подразделяются на блочные и символьные, последовательного и произвольного доступа, резервируемое или разделяемое, только для чтения, для записи или для чтения-записи, и различаются по скоростям работы. Блочные устройства выполняют команды вида: прочитать, записать или найти блок с заданным номером. Символьные устройства выполняют команды вида: ввести символ, вывести символ, с программируемой возможностью построчного редактирования.

Сетевые устройства отличаются от блочных и символьных, имеют свой собственный интерфейс, поддерживают распространенные сетевые протоколы, реализуют функцию выбора сетевого пакета.

Часы и таймеры обеспечивают хранение информации о текущем времени, прошедшем интервале времени, периодические прерывания по таймеру.

Ввод-вывод подразделяется на синхронный и асинхронный.

Синхронный (блокируемый) ввод-вывод основан на простой, интуитивно понятной парадигме: процесс задерживается, пока ввод-вывод не закончится. Он более прост для использования и понимания, но в силу своей недостаточной эффективности, недостаточен для некоторых применений. Для оптимизации ввода-вывода возврат из системного вызова для ввода-вывода может происходить по мере доступности информации. Применяется пользовательский интерфейс для копирования данных (буферизация). Ввод-вывод также часто реализуется с помощью многопоточности (multi-threading): ввод-вывод выделяется в отдельный поток. Из системных вызовов для ввода-вывода предусмотрен быстрый возврат с выдачей в качестве результата числа байтов, фактически прочитанного или записанного.

Асинхронный ввод-вывод: процесс исполняется одновременно с выполнением ввода-вывода. Вследствие этого, он более сложен в использовании, так как большинство программистов до сих пор привыкли мыслить и реализовывать программы в последовательном стиле. После завершения асинхронного ввода-вывода подсистема ввода-вывода генерирует сигнал (исключение) в процессе, его использующем. Программирование асинхронного ввода-вывода основано на использовании пары операций типа начать асинхронный ввод-вывод и закончить асинхронный ввод-вывод (подождать его результатов). Такая схема чревата ошибками, так как программистам свойственно забывать завершающие действия, парные инициализирующим, если среда разработки им об этом не напоминает. Однако именно асинхронный ввод-вывод обеспечивает наибольшую эффективность.

Системы ввода-вывода характеризуются следующими свойствами:

• Модульность. Средства современной вычислительной техники проектируются на основе модульного (или агрегатного) принципа, который заключается в том, что отдельные устройства выполняются в виде конструктивно законченных модулей (агрегатов), которые могут сравнительно просто в нужных количествах и номенклатуре объединяться, образуя вычислительную машину. Присоединение нового устройства не должно вызывать в существующей части машины никаких других изменений, кроме изменения кабельных соединений и некоторых корректировок программ.

• Унифицированные (не зависящие от типа ПУ) форматы данных, которыми ПУ обмениваются с ядром ЭВМ, в том числе унифицированный формат сообщения, которое ПУ посылает в ядро о своем состоянии. Преобразование унифицированных форматов данных в индивидуальные, приспособленные для отдельных ПУ, производится в самих ПУ. точнее, в блоках управления ПУ (УПУ).

• Унифицированный интерфейс, т.е. унифицированный по составу и назначению набор линий и шин, унифицированные схемы подключения, сигналы и алгоритмы (протоколы) управления обменом информацией между ПУ и ядром ЭВМ.

• Унифицированные (не зависящие от типа ПУ) формат и набор команд процессора для операций ввода-вывода. Операция ввода-вывода с любым ПУ представляет для процессора просто операцию передачи данных независимо от особенностей принципа действия данного ПУ, типа его носителя и т. п.

(35) Назначение и возможности интерфейсов.

Интерфейс представляет собой совокупность линий и шин, сигналов, электронных схем и алгоритмов (протоколов), предназначенную для осуществления обмена информацией между устройствами.

Интерфейсы являются основой взаимодействия всех современных информационных систем. Если интерфейс какого-либо объекта (персонального компьютера, программы, функции) не изменяется (стабилен, стандартизирован), это даёт возможность модифицировать сам объект, не перестраивая принципы его взаимодействия с другими объектами.

Согласование между отдельными узлами и блоками выполняют с помощью переходных аппаратно-логических устройств, называемых аппаратными интерфейсами. Стандарты на аппаратные интерфейсы в в-числительной технике называют протоколами – совокупностью технических условий, которые должны быть обеспечены разработчиками устройств для успешного согласования их работы с другими устройствами.

Многочисленные интерфейсы, присутствующие в архитектуре любой вычислительной системы, можно условно разделить на две большие группы: последовательные и параллельные. Через последовательный интерфейс данные передаются последовательно, бит за битом, а через параллельный – одновременно группами битов. Количество битов, участвующих в одной посылке, определяется разрядностью интерфейса, например, восьмиразрядные параллельные интерфейсы передают один байт (8 бит) за один цикл.

Параллельные интерфейсы обычно имеют более сложное устройство, чем последовательные, но обеспечивают более высокую производительность. Их применяют там, где важна скорость передачи данных: для подключения печатающих устройств, устройств ввода графической информации, устройств записи данных на внешний носитель и т.п. Производительность параллельных интерфейсов измеряют байтами в секунду (байт/с; Кбайт/с; Мбайт/с).

Устройство последовательных интерфейсов проще; как правило, для них не надо синхронизировать работу передающего и принимающего устройства (поэтому их часто называют асинхронными интерфейсами), но пропускная способность их меньше и коэффициент полезного действия ниже. Поскольку обмен данными через последовательные устройства производится не байтами, а битами, их производительность измеряют битами в секунду (бит/с, Кбит/с, Мбит/с). Несмотря на кажущуюся простоту перевода единиц измерения скорости последовательной передачи в единицы измерения скорости параллельной передачи данных путем механического деления на 8, такой пересчет не выполняют, поскольку он не корректен из-за наличия служебных данных. В крайнем случае, с поправкой на служебные данные, иногда скорость последовательных устройств выражают в знаках в секунду или в символах в секунду (с/с), но эта величина имеет не технический, а справочный, потребительский характер.

Последовательные интерфейсы применяют для подключения медленных устройств (простейших устройств печати низкого качества: устройств ввода и вывода знаковой и сигнальной информации, контрольных датчиков, малопроизводительных устройств связи и т.п.), а также в тех случаях, когда нет существенных ограничений по продолжительности обмена данными (цифровые фотокамеры).

(36) Основные интерфейсы ЭВМ.

IDE – интерфейс устройств со встроенным контроллером. Используется для подключения внешних накопителей. С внедрением этого интерфейса решается проблема с совместимостью накопителя и ПК. Если раньше приходилось при смене устройства менять контроллер на системной плате, то сейчас достаточно просто подключить устроуство. Скорость интерфейса 1,5-3 Мбайт/с. Наиболее распространен параллельный разъем ATA/IDE, который в последнее время вытесняется параллельным разъемом АТА. IDE-адаптер часто встраивается в системную плату.

SCSI (Скази)(интерфейс малых компьютерных систем) – интерфейс системного уровня. Интерфейс позволяет подключать до 7 внешних устройств с контроллерами. Любое устройство может инициировать обмен с другими устройствами. Режим обмена может быть как синхронным, так и асинхронным; данные контролируются по паритету. Данная шина реализуется в виде отдельного шельфа с восмью устройствами, одно из которых отводится для подключения к системной шине.

RS-232 — интерфейс передачи информации между двумя устройствами на расстоянии до 30 метров. Информация передается по проводам с уровнями сигналов, отличающимися от стандартных 5 В, для обеспечения большей устойчивости к помехам. Асинхронная передача данных осуществляется с установленной скоростью при синхронизации уровнем сигнала стартового импульса. Интерфейс RS-232-C был разработан для простого применения, однозначно определяемого по его названию: «Интерфейс между терминальным оборудованием и связным оборудованием с обменом по последовательному двоичному коду». Чаще всего используется в промышленном и узкоспециальном оборудовании, встраиваемых устройствах. Иногда присутствует на современных персональных компьютерах.

Centronics является однонаправленным параллельным интерфейсом, содержит характерные для такого интерфейса сигнальные линии (8 для передачи данных, строб, линии состояния устройства). Данные передаются в одну сторону: от компьютера к внешнему устройству. Но полностью однонаправленным его назвать нельзя. Так, 4 обратные линии используются для контроля за состоянием устройства. Centronics позволяет подключать одно устройство, поэтому для совместного очерёдного использования нескольких устройств требуется дополнительно применять селектор. Скорость передачи данных может варьироваться и достигать 1,2 Мбит/с.

USB («универсальная последовательная шина») — последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств в вычислительной технике. Символом USB являются четыре геометрические фигуры: большой круг, малый круг, треугольник, квадрат. Для подключения периферийных устройств к шине USB используется четырёхпроводный кабель, при этом два провода (витая пара) в дифференциальном включении используются для приёма и передачи данных, а два провода — для питания периферийного устройства. Благодаря встроенным линиям питания USB позволяет подключать периферийные устройства без собственного источника питания (максимальная сила тока, потребляемого устройством по линиям питания шины USB, не должна превышать 500 мА). К одному контроллеру шины USB можно подсоединить до 127 устройств по топологии «звезда», в том числе и концентраторы. На одной шине USB может быть до 127 устройств и до 5 уровней каскадирования хабов, не считая корневого. В настоящее время широко используются устройства, выполненные в соответствии со спецификацией USB 2.0. Ведётся внедрение в производство устройств спецификации USB 3.0.

ISA (Архитектура промышленного стандарта), другое название AT-Bus. Шина ISA является основной шиной на материнских платах устаревших компьютеров типа PC AT. Максимальная пропускная способность шины ISA не превышает 5,55 Мбайт/с и совершенно недостаточна для современных требований. Через интерфейс ISA раньше подключались практически все компоненты персонального компьютера, такие, как видеокарты, контроллеры ввода-вывода, контроллеры жестких и гибких дисков, модемы, звуковые карты и прочие устройства.

EISA (Расширенная ISA). В разъемы шины EISA можно вставлять как платы для шины ISA, так и для EISA. Платы для шины EISA имеют более высокую ножевую часть разъема с дополнительными рядами контактов, а слот имеет расположенный в глубине такой же ряд дополнительных контактов. Максимальная пропускная способность — 32 Мбайт/с. Поддерживает режим управления шиной со стороны любого из устройств, установленных в разъем (Bus Mastering). На современных материнских платах шина EISA уже не встречается.

PCI (Соединение внешних компонентов). Этот интерфейс не совместим ни с одним из предшествующих. Поддерживает тактовую частоту до 33 МГц (вариант PCI 2.1 — до 66 МГц), имеет максимальную пропускную способность до 132 Мбайт/с на частоте 33 МГц для 32-х разрядной шины (264 Мбайт/с для 32-x разрядных и 528 Мбайт/с для 64-х разрядных данных на частоте 66 МГц). Конструктивно разъем состоит из двух следующих подряд секций по 64 контакта. Внутри второй секции имеется пластмассовая поперечная перегородка (ключ) для предотвращения неправильной установки карт. Разъемы PCI и карты к ним поддерживают уровни сигналов либо 5 В., либо 3,3 В., либо оба уровня (универсальные). В первых двух случаях карты должны соответствовать уровню сигнала разъема, универсальные карты ставятся в любой разъем. Интерфейс PCI обеспечивает поддержку режимов Bus Mastering и автоматической конфигурации компонентов при установке (Plug-and-Play). Все слоты PCI на материнской плате сгруппированы в сегменты, число разъемов в сегменте ограничено четырьмя. Если сегментов несколько, они соединяются посредством так называемых мостов (bridge).

PCMCIA (Стандарт международной ассоциации производителей плат памяти для персональных компьютеров). Интерфейс PCMCIA служит для подключения внешних устройств к мобильным компьютерам класса NoteBook. Поддерживает автоматическую конфигурацию Plug-and-Play, подключение и отключение устройств в процессе работы компьютера («горячее» подключение). Конструктивно представляет собой миниатюрный 68-ми контактный разъем.

AGP (Ускоренный графический порт). Этот интерфейс предназначен исключительно для подключения видеоадаптеров. Шина AGP позволяет видеоадаптеру связываться с оперативной памятью непосредственно, разгружая тем самым системную шину. В оперативной памяти размещаются параметры трехмерных объектов, требующие быстрого доступа как со стороны процессора, так и со стороны видеоадаптера. Максимальная пропускная способность шины AGP в режиме четырёхкратного умножения AGP/x4 — до 1066 Мбайт/с. Конструктивно выглядит как отдельный разъем на материнской плате. Никакие другие компоненты, кроме видеоадаптеров, к AGP подключить нельзя.

SATA - последовательная шина ATA. В версии 2 имеет скорость до 300МБ/с (скорость передачи кодированных данных 3 Гбод)

IEEE 1284 , LPT (параллельный порт, порт принтера) - международный стандарт параллельного интерфейса для подключения периферийных устройств персонального компьютера. Интерфейс поддерживает одностороннюю (SPP) или двустороннюю (ЕРР, ЕСР) передачу данных при пиковой пропускной способности до 5 Мбайт/с (ЕСР). Интерфейс IEEE1284 обычно используется для подключения принтеров, сканеров, цифровых фотокамер и других внешних запоминающих устройств через параллельные порты компьютера (LPT). Встроенный контроллер параллельного порта имеется на материнской плате. В настоящее время интерфейс IEEE I284 рекомендуется заменять на интерфейсы USB и IEEE 1394.

(37) Структура системы ввода-вывода с одним общим интерфейсом.

Структура с одним общим интерфейсом предполагает наличие общей шины (магистрали), к которой подсоединяются все модули, в совокупности образующие ЭВМ; процессор, оперативная и постоянная памяти и периферийные устройства. В каждый данный момент через общую шину может происходить обмен данными только между одной парой присоединенных к ней модулей. Таким образом, модули ЭВМ разделяют во времени один общий интерфейс, причем процессор выступает как один из модулей системы.

(38) Структура системы ввода-вывода с процессорами (каналами) ввода-вывода.

Передача информации с периферийного устройства в ядро ЭВМ называется операцией ввода, а передача из ядра ЭВМ в периферийное устройство - операцией вывода. Структура системы с процессорами (каналами) ввода-вывода применяется в высокопроизводительных ЭВМ. В таких ЭВМ система ввода-вывода строится путем централизации аппаратуры управления вводом-выводом на основе применения программно-управляемых процессоров (каналов) ввода-вывода. Обмен информацией между памятью и периферийным устройством осуществляется через канал ввода-вывода.

Каналы ввода - вывода полностью освобождают процессор от управления операциями ввода-вывода. В вычислительной машине с каналами ввода-вывода форматы передаваемых данных неоднородны, поэтому необходимо использовать в ЭВМ несколько специализированных интерфейсов. Можно выделить 4 типа интерфейсов: интерфейс основной памяти, интерфейс процессор-каналы, интерфейсы ввода-вывода, интерфейсы периферийных устройств (малые интерфейсы). Через интерфейс основной памяти производится обмен информацией между памятью, с одной стороны, и процессором и каналами - с другой. Интерфейс процессор-каналы предназначается для передачи информации между процессорами и каналами ввода-вывода. Через интерфейс ввода-вывода происходит обмен информацией между каналами и блоками управления периферийных устройств. Селекторный и мультиплексный каналы служат для обеспечения связи между ЭВМ и периферийными (внешними) устройствами. По средствам селекторного канала ЭВМ соединяется с быстродействующими внешними устройствами

В соответствии с преимущественно реализуемым режимом работы различают каналы ввода-вывода мультиплексный, осуществляющий мультиплексирование ПУ, и селекторный, взаимодействующий с ПУ в монопольном режиме.

(39) Каналы ввода–вывода.

Мультиплексный (байт-мультиплексный) канал одновременно обслуживает несколько параллельно работающих ПУ, попеременно организуя с ними сеансы связи для передачи между ОП и ПУ небольших порций информации (1 байта или нескольких). Если несколько ПУ подготовилось к очередному сеансу связи и запрашивает обслуживание со стороны мультиплексного канала, то канал выбирает одно из них в соответствии с принятыми для данной системы приоритетными правилами, например, в соответствии с порядком подключения устройств к каналу. Остальные устройства, готовые к сеансу связи, должны ожидать, когда подойдет их очередь на обслуживание. Мультиплексный канал предназначен главным образом для работы со сравнительно медленными устройствами, способными ожидать обслуживания без потери информации. Аппаратурные средства мультиплексного канала можно условно разделить на две части: средства, предназначенные для обслуживания отдельных ПУ, присоединенных к каналу, и оборудование, являющееся общим для всех устройств и разделяемое всеми устройствами во времени. Средства канала, выделенные для обслуживания отдельных устройств, принято именовать подканалом. Число подканалов определяет максимальное число одновременно работающих с данным каналом ПУ.

Селекторный канал предназначается для монопольного обслуживания одного ПУ. При работе с селекторным каналом ПУ после пуска операции остается связанным с каналом до окончания цепочки операций. До завершения цепочки операций селекторный канал по отношению к процессору представляется занятым устройством.

Управляющее слово, выбранное селекторным каналом из памяти, содержится до окончания всех предписанных им действий в триггерных регистрах канала. Необходимые изменения текущих параметров операции производятся быстро с помощью соответствующих действий над содержимым триггерных регистров. Таким образом, все средства селекторного канала монополизируются на время операции одним ПУ. Можно считать, что селекторный канал содержит только один подканал.

Блок-мультиплексные каналы позволяют осуществлять параллельную работу нескольких ВЗУ с прямым доступом. Операции, не связанные с передачей данных (установка головок на цилиндр, поиск записи и др.), выполняются для нескольких устройств в мультиплексном режиме, а передача блока информации происходит в монопольном (селекторном) режиме. Важным свойством блок-мультиплексного канала является возможность мультиплексирования передач блоков данных, относящихся к различным ВЗУ прямого доступа. Блок-мультиплексный канал содержит несколько подканалов.

(40) Доступ к памяти.

Последовательный доступ. ЗУ с последовательным доступом ориентировано на хранение информации в виде последовательности блоков данных, называемых записями. Для доступа к нужному элементу (слову или байту) необходимо прочитать все предшествующие ему данные. Время доступа зависит от положения требуемой записи в последовательности записей на носителе информации и позиции элемента внутри данной записи. Примером может служить ЗУ на магнитной ленте.

Прямой доступ. Каждая запись имеет уникальный адрес, отражающий ее физическое размещение на носителе информации. Обращение осуществляется как адресный доступ к началу записи, с последующим последовательным доступом к определенной единице информации внутри записи. В результате время

доступа к определенной позиции является величиной переменной. Такой режим характерен для магнитных дисков.

Произвольный доступ. Каждая ячейка памяти имеет уникальный физический адрес. Обращение к любой ячейке занимает одно и то же время и может водиться в произвольной очередности. Примером могут служить запоминающие устройства основной памяти.

Ассоциативный доступ. Этот вид доступа позволяет выполнять поиск ячеек, содержащих такую информацию, в которой значение отдельных битов совпадает с состоянием одноименных битов в заданном образце. Сравнение осуществляется параллельно для всех ячеек памяти, независимо от ее емкости. По

ассоциативному принципу построены некоторые блоки кэш-памяти.

(41) Клавиатура. Назначение, состав и принцип работы.

Клавиатура – клавишное устройство управления персональным компьютером. Служит для ввода алфавитно-цифровых (знаковых) данных, а также команд управления. Комбинация монитора и клавиатуры обеспечивает простейший интерфейс пользователя. С помощью клавиатуры управляют компьютерной системой, а с помощью монитора получают от нее отклик.

Существует три основных типа механизма клавиш: мембранный, полумеханический и механический. Мембранные клавиатуры обычно дешевле механических в несколько раз.

Мембранные клавиатуры

Название происходит оттого, что при нажатии клавиши замыкаются две мембраны. Возврат клавиши осуществляется резиновым куполом (с «шахтой» в центре). Для разделения мембран служит промежуточная пленка с отверстиями.

Так как мембраны находятся на внутренних сторонах пленок, то конструкция хорошо защищена, например, от пролитого кофе.

В более защищенной реализации все выглядит как единый резиновый коврик с выступающими куполами, расположенными под клавишами.

Плюсами мембранного типа клавиш являются защищенность, низкий шум и цена.

Минус данного типа — недолговечность.

Полумеханические клавиатуры

В этих клавиатурах используются более долговечные и не протирающиеся металлические контакты. Все это размещается на печатной плате. Клавиша возвращается резиновым куполом.

Механические клавиатуры

В механических клавиатурах клавиша возвращается пружиной.

Механические клавиатуры не требуют полного нажатия «до упора» чтобы зарегистрировать сигнал, потому сила для сдвижения клавиши с места является единственной силой, которую вам требуется приложить для регистрирования сигнала. Бить клавишу о каркас клавиатуры уже не обязательно.

Минусы такого механизма: отсутствие герметичности, стоимость.

Плюсом является долговечность и надежность, особенно когда контакты позолочены.

Долговечность (число нажатий, при котором обеспечивается надежный контакт):

для мембранных клавиатур: 10—30 млн;

для механических (полумеханических): 50 млн и даже 100 млн для позолоченных контактов.

Для обычного пользователя 20 млн при обычной работе хватит на 10 лет и более. За это время сменится минимум 2 поколения клавиатур.

Принцип действия.

Основные функции клавиатуры не нуждаются в поддержке драйверов.

Необходимое программное обеспечение для начала работы с компьютером уже имеется в микросхеме ПЗУ (Постоянное Запоминающие Устройство) в составе базовой системы ввода-вывода (BIOS), и потому компьютер реагирует на нажатия клавиш сразу после включения.

Контролер процессора сканирует переключатели клавиш и при нажатии на любую клавишу, передается уникальный скан-код размером один байт. Когда скан-код попадает в процессор, инициализируется аппаратное прерывание. Скан-код анализируется процессором и преобразуется в код символа. Далее полученный код символа помещается в небольшую область памяти, известную как буфер клавиатуры. Введенный символ хранится в буфере клавиатуры до тех пор, пока его не заберет оттуда та программа, для которой он и предназначался, например текстовый редактор или текстовый процессор. Если символы поступают в буфер чаще, чем забираются оттуда, наступает эффект переполнения буфера. В этом случае ввод новых символов на некоторое время прекращается. На практике в этот момент при нажатии на клавишу мы слышим предупреждающий звуковой сигнал и не наблюдаем ввода данных.

Каждой клавише присвоен уникальный цифровой код и существуют специальные таблицы кодировки клавиатуры, как правило, они записана в специальную микросхему – знакогенератор процессора. Для смены кодировки клавиатуры применяются специальные программы – клавиатурные драйверы. Современные клавиатуры способны не только передавать данные в процессор, но и воспринимать команды от него.

Состав клавиатуры.

АЛФАВИТНО - ЦИФРОВЫХ КЛАВИШИ

Предназначены для ввода знаковой информации и команд, набираемых по буквам. Каждая клавиша может работать в нескольких режимах (регистрах) и, соответственно, может использоваться для ввода нескольких символов.

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ КЛАВИШИ (F1- F12)

Функции, закрепленные за данными клавишами, зависят от свойств конкретной работающей в данный момент программы, а в некоторых случаях и от свойств операционной системы. F1 вызывает справочную систему, в которой можно найти справку о действии прочих клавиш.

СЛУЖЕБНЫЕ КЛАВИШИ

SHIFT; ENTER; ALT; CTRL; TAB; ESC; BACKSPACE; PRINT SCREEN; SCROLL LOCK; PAUSE/BREAK;

УПРАВЛЕНИЕ КУРСОРОМ

UP / DOWN / LEFT / RIGHT; HOME и END; INSERT; DELETE.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ПАНЕЛЬ

дублирует действие цифровых и некоторых знаковых клавиш основной панели.

Настройка клавиатуры.

Клавиатуры персональных компьютеров обладают свойством повтора знаков, которое используется для автоматизации процесса ввода. Оно состоит в том, что при длительном удержании клавиши начинается автоматический ввод связанного с ней кода.

(42) Графический манипулятор. Назначение, состав и принцип работы.

Компьютерная мышь - механический манипулятор, преобразующий механические движения в движение курсора на экране, используется для указания на выбранный вами объект и работы с ним, необходима для удобной и эффективной работы или игры. Используется не только для наведения курсора, но и для управления почти всеми аспектами компьютерных операций.

Принцип работы

Мышь воспринимает своё перемещение в рабочей плоскости и передаёт эту информацию компьютеру. Программа, работающая на компьютере, в ответ на перемещение мыши производит на экране действие, отвечающее направлению и расстоянию этого перемещения.

В дополнение к датчику перемещения, мышь имеет одну и более кнопок, а также дополнительные детали управления (колёса прокрутки, потенциометры, джойстики, трекболы, клавиши и т. п.).

Виды компьютерных мышей:

• механические;

• оптические;

• лазерные;

• трекбол - мыши.

Механическая мышь

Традиционные шариковые модели относительно большого размера, требующие постоянной чистки для эффективной работы. Грязь и мелкие частицы могут оказаться между вращающимся шариком и корпусом, и необходимо будет проводить чистку.

Движение мыши передается на выступающий из корпуса обрезиненный стальной шарик (его вес и резиновое покрытие обеспечивают хорошее сцепление с рабочей поверхностью). Два прижатых к шарику ролика снимают его движения по каждому из измерений и передают их на датчики, преобразующие эти движения в электрические сигналы.

Оптическая мышь

В нижней части мыши установлен специальный светодиод, который подсвечивает поверхность, по которой перемещается мышь. Миниатюрная камера «фотографирует» поверхность более тысячи раз в секунду, передавая эти данные процессору, который и делает выводы об изменении координат.

Лазерная мышь

Устроена аналогичным образом, единственным отличием является использование полупроводникового лазера вместо камеры с диодом. При работе с лазерной мышью не наблюдается видимого свечения сенсора, что не отвлекает от работы.

Трекбол - мышь

Своеобразное устройство, в котором используется выпуклый шарик (трекбол), сокращающий движение руки (в работе участвует один палец). Однако этот вид наименее распространён.

Что касается соединения, то мыши бывают:

• проводные;

• беспроводные;

• Bluetooth;

Беспроводные мыши

Используют специальный беспроводной ресивер, имеющий связь с компьютером. Они идеальны для ноутбуков. Есть два вида технологий: использующие bluetooth (с рабочей дистанцией от 10 до 20 метров) и RF (использующие радиочастоту и работающие на дистанции от 6 до 10 метров). Ориентировка руки должна быть симметричной или индивидуальной, однако симметричная предпочтительней.

Проводные мышки

Соединены посредством электронного кабеля с USB или PS/2 контактом, в то время как беспроводные требуют использования AA или AAA батарей.

Bluetooth мышь

Похожа с большинством своих аналогов, но, в отличие от них, она использует bluetooth технологию, и, следовательно, не занимает ценные USB-порты.

Другими особенностями, требующими внимания, являются кнопки и колесо прокрутки. Многие мыши имеют две кнопки и колесо прокрутки посередине, некоторые, однако, не имеют его.

(43) Сканеры.

Сканер – устройство ввода, выполняющее преобразование изображения в цифровой формат. Процесс получения такой цифровой копии называется сканированием.

Принцип работы сканера

В результате преобразования света получается электрический сигнал, содержащий информацию об активности цвета в исходной точке сканируемого изображения. После оцифровки аналогового сигнала в АЦП цифровой сигнал через аппаратный интерфейс сканера идет в компьютер, где его получает и анализирует программа для работы со сканером. После окончания одного такого цикла (освещение оригинала — получение сигнала — преобразование сигнала — получение его программой) источник света и приемник светового отражения перемещается относительно оригинала.

Виды сканеров:

• Планшетные;

• Ручные;

• Барабанные;

Планшетный сканер

Оригинал кладется на стекло и сканируется при помощи подвижной линейной матрицы Размеры матрицы и системы фокусировки подобраны так, чтобы вести сканирование листа по всей ширине.

Ручной сканер

Сканирование осуществляется путем ручного перемещения сканера по оригиналу. По принципу действия такой сканер аналогичен планшетному. Ширина области сканирования не более 15 см.

Барабанный сканер

Оригинал закрепляется на вращающемся барабане. При этом сканируется точечная область изображения, а сканирующая головка движется вдоль барабана на очень маленьком расстоянии от оригинала.

Основные характеристики

Разрешение – число точек или растровых ячеек, из которых формируется изображение, на единицу длины или площади.

Аппаратное/оптическое разрешение сканера – одна из основных характеристик сканера, напрямую связанная с плотностью размещения чувствительных элементов на матрице сканера. Измеряется в количестве пикселов на квадратный дюйм изображения – PPI (Pixel Per Inch). Пример: 300´300 ppi.

Механическое разрешение — количество шагов, которое делает сканирующая каретка, деленное на длину пройденного ею пути.

Интерполированное разрешение – разрешение изображения, полученного при помощи математической обработки исходного изображения. С улучшением качества имеет мало общего.

Глубина цвета – количество разрядов каждого пиксела в цифровом изображении, в том числе выдаваемом сканером. Описывает максимальное количество цветов, воспроизводимое сканером в виде степени числа 2. Одному разряду соответствует черно-белое изображение, 8-ми – серое полутоновое, 16-ти – цветное, 24-цветное изображение – наиболее близкое к человеческому восприятию (модель RGB), 36bit и больше – полноцветное изображение с высокой достоверностью цветопередачи, предназначенное для профессиональной работы, чаще всего в издательском деле.

Рабочая область сканера — максимальный формат документа.

Скорость сканирования.

(44) Монитор ЭЛТ. Назначение, принцип работы и технические характеристики.

Монитор — аппарат, предназначенный для вывода графической или текстовой информации

C RT- или ЭЛТ-монитор имеет стеклянную трубку, внутри которой вакуум, т.е. весь воздух удален.

1 — Электронные пушки.

2 — Электронные лучи.

3 — Фокусирующая катушка.

4 — Отклоняющие катушки.

5 — Анод.

6 — Маска, благодаря которой красный луч попадает на красный люминофор, и т.д.

7 — Красные, зелёные и синие зёрна люминофора.

8 — Маска и зёрна люминофора

С фронтальной стороны внутренняя часть стекла трубки покрыта люминофором(7). В качестве люминофоров для цветных ЭЛТ используются довольно сложные составы на основе редкоземельных металлов - иттрия, эрбия и т.п. Люминофор - это вещество, которое испускает свет при бомбардировке его заряженными частицами.

Для создания изображения в CRT-мониторе используется электронная пушка(1), которая испускает поток электронов(2) сквозь металлическую маску или решетку на внутреннюю поверхность стеклянного экрана монитора(6), которая покрыта разноцветными люминофорными точками.

Электроны попадают на люминофорный слой, после чего энергия электронов преобразуется в свет, т.е. поток электронов заставляет точки люминофора светиться. В цветном CRT-мониторе используются три электронные пушки, в отличие от одной пушки, применяемой в монохромных мониторах, которые сейчас практически не производятся и мало кому интересны.

Наши глаза реагируют на основные цвета: красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue) и на их комбинации, которые создают бесконечное число цветов. Люминофорный слой, покрывающий фронтальную часть электронно-лучевой трубки, состоит из очень маленьких элементов.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРКТЕРИСТИКИ

• Разрешающая способность: определяется числом элементов изображения (пикселей), которые воспроизводятся по горизонтали и вертикали, например, 640x480 или 1024x768 пикселов. Эта величина показывает, сколько минимальных элементов изображения - "точек" - может уместиться на экране монитора.

Чем больше этих точек, тем менее зернистой и более качественной будет изображение.

• Размер экрана: существует несколько обычных размеров мониторов: 9, 12, 14, 15, 17, 19, 20 и 21 дюймов по диагонали.

• Кадровая частота: (как часто регенерируется экран)

• Тип трубки:

• сферические (чаще всего встречаются в недорогих 14-дюймовых мониторах);

• прямоугольные с почти плоским экраном (ими оборудованы практически все современные модели с диагональю 15-21 дюйм);

• трубки типа Trinitron(экран представляет собой сегмент цилиндра, тогда как экраны других типов являются сегментами сферы);

• полностью плоская трубка PanaFlat фирмы Panasonic.

• Полоса пропускания

(45-46) Монитор ЖК(LCD). Назначение, принцип работы и технические характеристики.

Монитор – главное и основное устройство вывода информации в ЭВМ.

Экраны LCD-мониторов (жидкокристаллические мониторы) сделаны из вещества (цианофенил), которое находится в жидком состоянии, но при этом обладает некоторыми свойствами, присущими кристаллическим телам. Фактически это жидкости, обладающие анизотропией свойств (в частности оптических), связанных с упорядоченностью в ориентации молекул.

Принцип работы

Экран монитора состоит из двух стеклянных пластин, между которыми

находятся жидкие кристаллы, которые могут изменять свою оптическую структуру и свойства в зависимости от электрического заряда, т.е. кристаллы под воздействием электрического поля изменяют свою ориентацию и тем самым по-разному отражают свет. Жидкие кристаллы сами не светятся, поэтому подобные мониторы нуждаются в подсветке или во внешнем освещении.

Конструктивно дисплей состоит из ЖК-матрицы (стеклянной пластины, между слоями которой и располагаются жидкие кристаллы), источников света для подсветки, контактного жгута и обрамления (корпуса), чаще пластикового, с металлической рамкой жёсткости. Каждый пиксель ЖК-матрицы состоит из слоя молекул между двумя прозрачными электродами, и двухполяризационных фильтров, плоскости поляризации которых (как правило) перпендикулярны (на рисунке 2 это пленки со сквозными прорезями). В отсутствие жидких кристаллов свет, пропускаемый первым фильтром, практически полностью блокируется вторым.

Поверхность электродов, контактирующая с жидкими кристаллами, специально обработана для изначальной ориентации молекул в одном направлении. В TN-матрице эти направления взаимно перпендикулярны, поэтому молекулы в отсутствие напряжения выстраиваются в винтовую структуру (рис 3).

Рис.3. Ориентация молекул жидких кристаллов без подачи напряжения

Эта структура преломляет свет таким образом, что до второго фильтра плоскость его поляризации поворачивается и через него свет проходит уже без потерь. Если не считать поглощения первым фильтром половины неполяризованного света, ячейку можно считать прозрачной.

Если же к электродам приложено напряжение, то молекулы стремятся выстроиться в направлении электрического поля, что искажает винтовую структуру (рис 4).

Рис.4. Ориентация молекул жидких кристаллов при подаче напряжения

При этом силы упругости противодействуют этому, и при отключении напряжения молекулы возвращаются в исходное положение (рис 3). При достаточной величине поля практически все молекулы становятся параллельны, что приводит к непрозрачности структуры. Варьируя напряжение, можно управлять степенью прозрачности. Если постоянное напряжение приложено в течение долгого времени, жидкокристаллическая структура может деградировать из-за миграции ионов.

Для решения этой проблемы применяется переменный ток или изменение полярности поля при каждой адресации ячейки (так как изменение прозрачности происходит при включении тока, вне зависимости от его полярности).

Во всей матрице можно управлять каждой из ячеек индивидуально, но при увеличении их количества это становится трудновыполнимо, так как растёт число требуемых электродов. Поэтому практически везде применяется адресация по строкам и столбцам.

Проходящий через ячейки свет может быть естественным — отражённым от подложки (в ЖК-дисплеях без подсветки). Но чаще применяют искусственный источник света, кроме независимости от внешнего освещения это также стабилизирует свойства полученного изображения.

Таким образом, полноценный монитор с ЖК-дисплеем состоит из электроники, обрабатывающей входной видеосигнал, ЖК-матрицы, модуля подсветки, блока питания и корпуса с элементами управления.

Именно совокупность этих составляющих определяет свойства монитора в целом, хотя некоторые характеристики важнее других.