книги из ГПНТБ / Преснухин, Л. Н. Цифровые вычислительные машины учебное пособие

Поскольку длина световых волн очень мала, для записи интерферен­ ционной картины необходимо использовать фотопленку или другие носители с очень высоким разрешением. Качество зерен фотоэмульсии (их размер и плотность размещения) имеют очень существенное значе­ ние. Чтобы не вызвать нарушение интерференционной картины, в кото­ рой может быть зафиксировано до 1500 линий/мм, последняя не должна меняться во время экспозиции. Таким образом, качественно изготов­ ленная голограмма несет в себе объем информации до 2-10‘i бит/мм2. Использование других носителей информации, а.также улучшенных фотоносителей позволяет значительно увеличить указанную плот­ ность.

Голографические ЗУ. В качестве архивных внешних ЗУ жела­ тельно использовать не электромеханические, а электронные системы.

ции; хотя постоянные ЗУ несколько проще, голографические ЗУ со считыванием—записью информации обладают большей функциональ­ ной гибкостью и могут быть использованы в качестве внутренних опе­ ративных ЗУ.

На рис. 6.26 показана структурная схема оптического голографи­ ческого ЗУ, используемого в качестве внешнего ЗУ вычислительной системы с возможностью считывания и записи информации. Устрой­ ство содержит оптический блок ОПБ, адресную дефлекторную си­ стему Д, буферное ЗУ БЗУ, накопитель информации НИ. Управле­ ние работой устройства осуществляется с помощью блока местного управления БМУ, связанного с процессором Пр и оперативным ЗУ ОЗУ вычислительной системы. Рассмотрим работу данного устройства.

Обмен информацией между Б ЗУ и ОЗУ осуществляется страни­ цами (массивами). Страницы информации из ОЗУ электрическим спо­ собом переписываются в БЗУ, которое имеет специфические особен­ ности и состоит из обычного электронного Б ЗУ с системой адресной выборки, матрицы фотоприемников и матрицы оптоэлектронных логи­ ческих элементов И. Каждый электронный триггер матрицы ЗУ может устанавливаться в определенное информационное состояние сигналами из ОЗУ или оптическими сигналами, принятыми элементами матрицы фотоприемников. Потенциалы запоминающих электронных элементов управляют оптической прозрачностью или коэффициентом отражения оптоэлектронных логических схем И. Поэтому после записи страницы

310

информации в Б ЗУ оптоэлектронные схемы И, связанные с тригге­ рами в «1» информационном состоянии, будут подготовлены к отраже­ нию или пропусканию светового пучка. Оптический блок ОПБ выра­ батывает когерентный поляризованный луч 1, который направляется дефлектором Д в зависимости от координат в определенное место НИ. При этом происходит расщепление светового пучка на информационный 2 и опорный 3 пуски. Информационный пучок 2, пройдя сквозь мат­ рицу оптоэлектронных схем И буферного запоминающего устройства Б ЗУ в виде модулированного по интенсивности или фазе информацион­ ного пучка 4, падает в то же место НИ, что и опорный пучок света 2. Картина интерференции опорного 3 и информационного 4 пучков света фиксируется на носителе информации НИ.

Для считывания страницы информации меняется направление поля­ ризации луча 1. Поэтому информационный пучок света 2 не поступает на матрицу оптоэлектронных схем И, если перед матрицей Б ЗУ уста­

позволяет избежать применения сложной системы прошивки, свойственной оперативным ЗУ на ферритовых сер­

дечниках, и использования электромеханических узлов на внешних магнитных ЗУ. Как правило, для считывания и записи информации используют одну и ту же оптическую систему, разные функции которой определяются только направлением поляризации световых пучков.

Упрощенная схема оптической системы голографического ЗУ при­ ведена на рис. 6.27. Вид показан сбоку, поэтому следует указать, что набор голографических линз ГЛ, матрица М оптоэлектронных схем и фотоприемников Б ЗУ , носитель информации НИ накопителя информа­ ции имеют квадратную форму. Луч света 1 выходит из дефлекторной отклоняющей системы. Он поступает на набор голографических линз, которые расщепляют луч лазера на опорный 3 и информационный 2 пучки света. Вне зависимости от положения голографической линзы вырабатываемый ею информационный пучок 2 попадает на матрицу М оптоэлектронных схем И. Отражаясь от М, информационный поток 4 падает на определенное место носителя информации, в которое попа­ дает и опорный луч 3. Опорный луч отражается плоским зеркалом ПЗ, затем уголковым зеркалом УЗ, позволяющим перемещать плоскость опорного пучка вверх и вниз параллельно плоскости чертежа в зави­ симости от выбранной голографической линзы, и падает нормально на поверхность носителя информации.

311

При считывании информации вследствие изменения плоскости поляризации луча 1 информационный пучок 3 не попадает на поверх­ ность матрицы М, так как поглощается поляризатором П. Опорный луч 2 вызывает появление информационного пучка света 4, который проходит через поляризатор вследствие поворота вектора поляризации магнитным материалом носителя информации НИ. Оптическая линза

Лфокусирует информационные пучки света.

Вустройстве для отклонения луча (дефлекторе) используют раз­ личные физические принципы, например, дифракцию света на бегу­

щих акустических волнах в оптоакустическом отклоняющем блоке. В этом случае звуковые акустические колебания вызывают периоди­ ческие изменения коэффициента преломления кристалла или жидкости. Угол отклонения луча задается частотой акустических колебаний. Два последовательно установленных одинаковых блока дают возможность отклонять пучок света в заданное место плоскости носителя информа­ ции. Для отклонения луча применяют метод использования явления двойного лучепреломления света, основанный на оптической анизо­ тропии кристаллов. Коэффициент преломления в таких кристаллах может изменяться под действием внешнего приложенного электриче­ ского поля. Рассмотренные и другие методы управления лучом доста­ точно хорошо разработаны и позволяют получить быстродействие

вединицы и десятки микросекунд, что и составляет время считывания

вголографических ЗУ или время поиска места записи страницы (мас­ сива) информации.

Вкачестве носителя информации можно использовать различные материалы. Например, для записи информации в виде магнитной голо­ граммы применяют марганец-висмутовые пленки с анизотропией, перпендикулярной поверхности пленки. Световой пучок, падающий на пленку в результате интерференции опорного и информационного пучков, вызывает нагрев отдельных участков до температуры, выше температуры Кюри, что приводит к изменению намагниченности нагре­ тых участков. При этом условия, требующиеся для записи магнитной голограммы, следующие: 1) падающий пучок должен иметь очень ко­ роткую длительность (несколько десятков наносекунд) высокой ин­ тенсивности, поскольку длительное освещение вызовет размытие ин­ формационной картины; 2) малая удельная теплопроводность носи­

теля информации и подложки; 3) умеренное значение температуры Кюри.

Голограмма, записанная на магнитной пленке, восстанавливается в пучках проходящего или отраженного света. Для стирания голограм­ мы создается сильное внешнее магнитное поле или производится на­ грев пленки до температуры выше точки Кюри.

В качестве носителей информации используют также ферроэлектрические материалы с фотослоем, требующие для записи голограмм значительно меньше энергии, чем магнитные материалы. Запись голо­ грамм осуществляется как результат модуляции проводимости фото­ слоя, поскольку электрическое напряжение, приложенное к ферро­ электрику, переводит участки последнего в состояния поляризации, определяемые проводимостью фотослоя. Для записи можно использо­

312

вать непрерывное излучение лазера, поскольку в этом случае отсут­ ствует размывание интерференционной картины.

Постоянные голографические ЗУ могут использовать носитель информации в виде тонкой металлической пленки. При записи корот­ кими импульсами в этом случае происходит испарение части металли­ ческого слоя. Оставшиеся участки используют для создания изображе­ ния записанной информации за счет дифракции света на неоднородно­ стях металлической пленки.

ЗУ со страничной организацией считывания, записи и стирания информации можно получить, используя в качестве носителя инфор­ мации деформирующую термопластическую пленку. Запись голо­ граммы на термопластическую пленку осуществляется в виде простран­ ственной модуляции ее толщины (изменяется потенциал термопластика за счет разрядки фотопроводникового подслоя носителя информации при экспонировании интерференционной картины; последующее на­ гревание термопластика ведет к его деформации в соответствии с вели­ чиной электрического поля: термопластик становится тоньше в обла­ стях с большей напряженностью электрического поля). Стирание ин­ формации достигается равномерным нагревом поверхности ее носителя.

Считывание информации в ЗУ с термопластическим носителем ин­ формации осуществляется при прохождении опорного пучка света через носитель информации. Вследствие изменения физической (и опти­ ческой) длины пути света каждая точка носителя информации в соот­ ветствии с принципом Гюйгенса-Френкеля дает волны, интерферен­ ционная картина которых восстанавливает изображение голограммы.

Особенность голографического метода записи и воспроизведения информации в оптических ЗУ обеспечивает высокую надежность послед­ них. Основное преимущество голографии для построения ЗУ большой информационной емкости состоит в легкости получения избыточности записи без каких-либо потерь в плотности записи информации, по­ скольку в каждом элементарном участке голограммы записывается все изображение. Такие несовершенства носителя информации, как пылинки, царапины, которые могут привести к искажению информа­ ции в обычных оптических ЗУ, при голографической записи и воспро­ изведении лишь ухудшат яркость полученной информационной кар­ тины, но не приводят к потере ни одного бита информации.

§ 6.10. УСТРОЙСТВА ВВОДА—ВЫВОДА ИНФОРМАЦИИ НА ЭКРАН ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫХ ИНДИКАТОРОВ (ДИСПЛЕИ)

Устройства ввода-вывода графической и символьной информации на экран электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) являются гибким сред­ ством взаимодействия оператора с машиной. Оператор может управ­ лять любым набором элементов изображения на экране, что при боль­ шом быстродействии устройства обеспечивает широкие возможности.

Алфавитно-цифровой дисплей. Простейший дисплей представляет собой по существу устройство вывода информации на ЭЛТ типа характрона (см. § 6.7). В нем генерация символов получается за счет модуля­

313

ции луча при прохождении через отверстия матрицы знаков. Наибо­ лее широко в современных дисплеях используют матричный или функ­ циональный методы генерации знаков.

На рис. 6.28 приведена функциональная схема дисплея с матрич­ ным способом генерации символов. Выводимый на экран электронно­ лучевой трубки ЭЛТ символ составляется из набора точек, занимаю­ щих определенные позиции матрицы в матричном генераторе симво­ лов МГС. Блок генераторов развертки Б ГР обеспечивает растровую картину на экране ЭЛТ. При частоте развертки растра 30-f-60 Гц эффект мерцания изображения практически отсутствует. Для под­ светки определенных точек растра используют блок регулировки яркости БРЯ- Высвечиваемая информация из вычислительной си­ стемы ВС передается для хранения в буферное запоминающее устрой­ ство БЗУ. Взаимодействием всех узлов дисплея управляет блок мест­

ного управления Б МУ, оператор с помощью клавишной панели управ­ ления КПУ имеет возможность кор­ ректировать выводимую на экран ин­ формацию.

Изображения символов, составлен­ ные из засвеченных точек матрицы, имеют качество изображения, кото­ рое зависит от количества элемен­ тов матрицы. Лучшее качество изо­ бражения дает матрица 9x13 эле­ ментов, при этом символы получают­ ся четкими и легко читаемыми, но

можно получить изображения и при использовании матрицы 3 x 5 эле­ ментов.

В качестве матричного генератора символов наиболее широко ис­ пользуют оперативные или постоянные ЗУ. Использование оператив­ ных ЗУ позволяет в случае необходимости достаточно просто менять алфавит символов.

Графический дисплей. Решение задач проектирования в различных областях науки и техники по существу является творческим процес­ сом и требует средств диалогового общения с ВС. В этом случае чело­ век оперативно взаимодействует с ВС, которая в процессе итерацион­ ного поиска выполняет количественные вычисления, строит необходи­ мые зависимости, определяет соответствие заданным численным кри­ териям и т. д. В качестве устройств диалогового общения с ВС наибо­ лее широко используют графические экранные пульты-дисплеи со све­ товым пером. Дисплей со световым пером представляет собой устрой­ ство, в котором на экране ЭЛТ электронным лучом можно «нарисовать» любую схему эксперимента, проанализировать ее с помощью ВС, изменить и вновь оценить полученные результаты.

Для вывода графической информации на экран ЭЛТ удобен функ­ циональный метод генерации изображений. В этом случае любое изо­ бражение (символ, цифра, кривая или прямая линия) образуется из отрезков прямых или криволинейных линий. Качественное изображе­

31 4

ние символов получается при использовании 16 отрезков для изобра­ жения одного символа. Желательно, чтобы высота изображения сим­ вола была в 7-=-10 раз больше ширины линии. Луч ЭЛТ совершает непрерывное движение по определенному закону; изображение сим­ вола получается за счет подсветки определенных участков траекто­ рии движения луча. Линейные отрезки генерируются достаточно легко по известным координатам [х1г х2]:

x(t) = x1 + (t/T)(x2- x 1),

где хг и х2 — соответственно координаты точки начала и конца под­ светки луча; t — текущее время; Т — время движения луча между точками с координатами вдоль оси X.

Функцию генерации линейного отрезка под произвольным углом к оси X можно получить, определив коэффициент, а в уравнении пря­ мой по известным коорди­ натам начала и конца от­ резка хи х.2 и уг, у.г:

и it) — ах it) = ах, +

+ (at/T) ( х г - Х 1 ) .

Для корректировки ин­ формации на экране ЭЛТ в дисплеях используют маркер, представляющий собой световое пятно, ко­ торое может перемещаться по экрану по сигналам с клавишной панели управ­ ления. Совместив маркер с каким-либо символом или

фрагментом изображения, можно стереть изображение, а затем в этом месте записать другой символ.

Рассмотрим функциональную схему графического дисплея (рис.6.29) и основные особенности его работы.

Дисплей состоит из электронно-лучевой трубки ЭЛТ, блока управ­ ления световым пером БУСП, блока местного управления Б М У и бу­ ферного ЗУ БЗУ. В БЗУ из вычислительной системы ВС передаются массивы данных для отображения на экране ЭЛТ, а также данные с ЭЛТ для ввода в ВС. БМ У позволяет дисплею осуществить работу с ВС в режиме разделения времени.

Отклоняющая система ЭЛТ включена через усилители развертки по координатам X и Y (УРв X, УРв Y ) к преобразователям код — напряжение ПрК-+Н реверсивных счетчиков РСч X и РСч Y. С по­ мощью этих узлов производится обработка приращений координат, в котором линейный интерполятор реализует генератор линий для построения изображения в виде совокупности примыкающих друг к другу отрезков или точек. Для построения отрезка линии указывают коды координат начальной точки отрезка X, Y и приращения АХ

315

и ДУ для конечной точки. Линейные интерполяторы вырабатывают коды, пропорциональные приращениям координат. Эти коды подаются на РСч X и РСч Y. Блок регулировки яркости БР.Я управляет под­ светкой луча в определенные моменты движения луча по заданному контуру. В результате движения луча рисуется контур, аппроксими­ рованный отрезками прямых линий. Блок генератора символов БГС применяется для выработки сигналов представления символов на' экране ЭЛТ. Для оперативного ввода графической информации исполь­ зуют световое перо СП, представляющее собой приемник света в кор­ пусе, подобном авторучке. С помощью блока управления световым пером БУСП и блока слежения БСл осуществляется аппаратурный метод слежения за концом светового пера.

На рис. 6.30 приведен пример построения следящего локального растра, с помощью которого происходит слежение за концом пера.

Элементы растра слежения задаются в при­ ращениях относительно текущего положения

нагрузочных и т. д. характеристик и пр. Световые «кнопки» и дру­ гие фрагменты изображений могут выбираться с помощью светового

или иные места экрана с помощью светового пера и клавиатуры с набо­ ром. стандартных символов, можно построить любую «картину», по­ скольку символы передаются в указываемое световым пером место экрана.

Если с помощью дисплея, например, производится расчет электрон­ ного элемента, то вначале на экране рисуется его первоначальная электрическая (эквивалентная схема). Затем производится ее расчет и строятся требуемые зависимости для статических и переходных дина­ мических параметров. Для улучшения параметров схемы добавляются или удаляются с помощью светового пера те или иные компоненты. Поскольку на экране можно воспроизвести форму импульсов токов и напряжений в любом месте схемы, то подобная работа анало­ гична проведению эксперимента с макетом схемы и наблюдению сигналов на экране осциллографа: После завершения расчетасхемы

ЦВМ по заданию оператора производит документирование резуль­ татов.

316

§6.11, КОНТРОЛЬ И ЗАЩИТА ИНФОРМАЦИИ

ВУСТРОЙСТВАХ ВВОДА—ВЫВОДА

Принцип построения кодов для контроля и защиты информации.

Для обеспечения большой информационной надежности в УВВ ин­ формации широко используют аппаратные методы контроля, основан­ ные на введении определенной информационной избыточности. В зави­ симости от количества избыточных разрядов, добавленных к «-раз­ рядному коду машины, и их распределения внутри информационных слоев, возможен контроль или защита информации при передаче ин­ формационных кодов. Если длина кода машины равна « разрядам, а добавляется k контрольных разрядов, то избыточность кода можно охарактеризовать величиной k/(n + k), где n + k — полная длина кодовой комбинации.

С помощью «-разрядного кода можно получить 2п различных кодо­ вых комбинаций для кодирования информации. Эти комбинации обра­ зуют безизбыточный натуральный двоичный код, в котором искажение при передаче любого символа переводит одну разрешенную кодовую комбинацию в другую и поэтому не может быть обнаружено.

Избыточные, или корректирующие, коды должны быть построены так, чтобы из общего числа 2п"к комбинаций для кодирования инфор­ мации использовать только 2п комбинаций. При этом k выбирают та­ ким образом, чтобы любые разрешенные кодовые комбинации в резуль­ тате ошибок не превращались в разрешенные комбинации. Разрешен­ ными в этом случае будут 2п комбинации, неразрешенными — (2"+*— 2") комбинаций.

Минимальным кодовым расстоянием d между двумя любыми кодами A t и Aj называют количество разрядов, на которое эти комбинации отличаются одна от другой. В натуральном двоичном коде d — 1. Следовательно, минимальное кодовое расстояние должно быть по вели­ чине больше единицы для обеспечения контроля и защиты информа­ ции. Если d — 2, то любые две кодовые комбинации различаются в двух разрядах, поэтому искажение информации в одном разряде переводит данную кодовую комбинацию в число запрещенных и мо­ жет быть обнаружено. При d = 3 искажение информации в одном раз­ ряде приводит к появлению комбинации, отличающейся от правильной в одном разряде, а от любой запрещенной — в двух разрядах. Исправ­ ление таких одиночных ошибок достигается заменой запрещенной кодо­ вой комбинации на разрешенную ближайшую по кодовому расстоянию.

В УВВ для контроля, хранения и передачи информации широко используют код с проверкой на четность. Этот код имеет небольшую избыточность, поскольку добавляется только один контрольный раз­ ряд, с помощью которого общее количество «1» в коде становится чет­ ным или нечетным. Контроль на четность обнаруживает одиночные ошибки и нечетное количество ошибок. Использование специального кода Хэмминга позволяет не только контролировать, но и защищать информацию исправлением одиночных, двойных и прочих ошибок. Для защиты информации, представленной в последовательной форме, удобно использовать циклические коды для исправления многократ­

317 '

ных ошибок и пакетов ошибок. Пакетом ошибок длиной у называют любую комбинацию ошибок, число разрядов в которой между первой и последней ошибками включительно равно у.

Контроль правильности передач информации кодом с контролем четности—нечетности. Для контроля по четности—нечетности к исходному информационному коду добавляется один разряд. При контроле на четность значение контрольного разряда равно «1». если число «1» в контролируемом коде нечетно, и равно «О», если количество «1» в коде четно. При контроле на нечетность информация в контроль­ ном разряде принимает соответственно противоположные значения. Любое число А = хллгга„1...х2л:1.г0, представленное в позиционной си­ стеме с основанием г, может быть представлено в обычной полиноминальной форме:

А = хаг" + Хп_ $ Г ' + . . . + х222 + х ^ 1 + х02° = J ] xtrl,

г —О

где xt равно «О» или «1» для двоичной системы; для системы счисления с основанием г значения х, могут быть равны 0,1,..., г — 1.

Четность числа А определяется равенством:

П

S = Xi mod г, i = о

где mod г — логическое сложение по mod г.

В случае двоичной системы счисления четность 5 определяется как логическая операция сложения по mod 2 над всеми значениями разря­ дов рассматриваемого кода. Как было показано ранее, сложение по mod 2 представляет собой логическую операцию «исключающее ИЛИ». Поэтому для двух произвольных разрядов х* и Xj значение четности S

одна и только одна единица. Во всех других случаях 5 = 0, что соот­ ветствует наличию двух единиц или их отсутствию. Функциональная схема цепи свертки Св для выработки сигнала 5 и 5 двух двоичных разрядов приведена на рис. 6.31.

При многоразрядных кодах можно использовать последовательную или пирамидальную схемы для выработки сигналов четности. Рас­ смотрим для примера построение и работу схемы контроля почетности информации в четырехразрядном регистре, сигналы четности в котором вырабатываются с помощью пирамидального соединения схем Св4— Св4для выработки сигналов S и 5 для двухразрядных кодов, (рис. 6.32). Значение четности 5 записывается в специальный триггер четности TS, подсоединенный в качестве пятого разряда к триггерам регистра.

на схему совпадения И на вход триггера TS пройдет сигнал установки его в «1» состояние. Добавление еще одной «1» к коду в регистре превра­

318

щает число единиц в коде в четное число. Управление триггером TS по входу осуществляется схемой совпадения Я, на которую подается сигнал формирования контрольного кода ФКК- Если необходимо проверить правильность принятого кода на регистр, то после приема кода подается сигнал контроля четности КЧ на схему совпадения И. Появление сигнала S = 1 сви­

машинным словам. При контроле на четность байтов получается более надежный контроль, поскольку для передачи слова используется боль­

наиболее широко используют сквозной по-байтовый контроль по чет­ ности.

Для увеличения надежности контроля во внешних ЗУ вводят два вида контроля по четности—нечетности: продольный и поперечный. На рис. 6.33 схематически показано размещение информациггна участке магнитной ленты. Информация пишется по байтам, девятый байт — контрольный. После записи зоны из десяти байтов в качестве одиннадца­ того байта записан байт продольной четности, каждый разряд которого является контрольным для данной строки зоны. Направление движе­ ния носителя информации при считывании—записи показано стрелкой.

319