AOM / Tannenbaum

ронно-лучевых трубок, в которых для развертки луча по экрану используются электрические поля, во многих моделях вместо электрических используются магнитные поля (особенно в дорогостоящих мониторах).

Рис. 2.26. Поперечноесечениеэлектронно-лучевойтрубки(а); схемаразверткиэлектронно-лучевойтрубки(б)

Для получения на экране изображения из точек внутри электронно-лучевой трубки находится сетка. Когда на сетку воздействует положительное напряжение, электроны возбуждаются, луч направляется на экран, который через некоторое время начинает светиться. Когда используется отрицательное напряжение, электроны отталкиваются и не проходят через сетку, и экран не зажигается. Таким образом напряжение, воздействующее на сетку, вызывает появление соответствующего набора битов на экране. Такой механизм позволяет переводить двоичный электрический сигнал на дисплей, состоящий из ярких и темных точек.

Жидкокристаллические мониторы

Электронно-лучевые трубки слишком громоздкие и тяжелые для использования в портативных компьютерах, поэтому для таких экранов необходима совершенно другая технология. В таких случаях чаще всего используются жидкокристаллические дисплеи. Эта технология чрезвычайно сложна, имеет несколько вариантов воплощения и быстро меняется, поэтому мы из необходимости сделаем ее описание по возможности кратким и простым.

Жидкие кристаллы представляют собой вязкие органические молекулы, которые двигаются, как молекулы жидкостей, но при этом имеют структуру, как у кристалла. Они были открыты австрийским ботаником Рейницером (Rheinitzer) в 1888 году и впервые стали применяться при изготовлении различных дисплеев (для калькуляторов, часов и т. п.) в 1960 году. Когда молекулы расположены в одну линию, оптические качества кристалла зависят от направления и поляризации воздействующего света. При использовании электрического поля линия молекул, а следовательно, и оптические свойства могут изменяться. Если воздействовать лучом света на жидкий кристалл, интенсивность света, исходящего из самого жидкого

114 Глава2.Организациякомпьютерныхсистем

кристалла, может контролироваться с помощью электричества. Это свойство используется при создании индикаторных дисплеев.

Экран жидкокристаллического дисплея состоит из двух стеклянных параллельно расположенных пластин, между которыми находится герметичное пространство с жидким кристаллом. К обеим пластинам подсоединяются прозрачные электроды. Искусственный или естественный свет за задней пластиной освещает экран изнутри. Электроды, подведенные к пластинам, используются для того, чтобы создать электрические поля в жидком кристалле. На различные части экрана воздействует разное напряжение, и таким образом можно контролировать изображение. К передней и задней пластинам экрана приклеиваются поляроиды, поскольку технология дисплея требует использования поляризованного света. Общая структура показана на рис. 2.27, а.

В настоящее время используются различные типы жидкокристаллических дисплеев, но мы рассмотрим только один из них — дисплей со скрученным нематиком. В этом дисплее на задней пластине находятся крошечные горизонтальные желобки, а на передней — крошечные вертикальные желобки, как показано на рис. 2.27, б. При отсутствии электрического поля молекулы направляются к этим желобкам. Так как они (желобки) расположены перпендикулярно друг к другу, молекулы жидкого кристалла оказываются скрученными на 90°.

Жидкий кристалл

Задняяпластина

Передняяпластина

Задний электрод Передний

электрод

Задний поляроид Передний

jS поляроид

Темный

участок

изображения

Светлый

—*- участок Источник *"изображения

света

Портативный компьютер

Рис. 2.27. Структура экрана на жидких кристаллах (а); желобки на передней и задней пластинах, расположенные перпендикулярнодругкдругу(б)

На задней пластине дисплея находится горизонтальный поляроид. Он пропускает только горизонтально поляризованный свет. На передней пластине дисплея находится вертикальный поляроид. Он пропускает только вертикально поляризованный свет. Если бы между пластинами не было жидкого кристалла, горизон-

тально поляризованный свет, пропущенный поляроидом на задней пластине, блокировался бы поляроидом на передней пластине, что делало бы экран полностью черным.

Однако скрученная кристаллическая структура молекул, сквозь которую проходит свет, разворачивает плоскость поляризации света. При отсутствии электрического поля жидкокристаллический экран будет полностью освещен. Если подавать напряжение к определенным частям пластины, скрученная структура разрушается, блокируя прохождение света в этих частях.

Для подачи напряжения обычно используются два подхода. В дешевом пассивном матричном индикаторе оба электрода содержат параллельные провода. Например, на дисплее размером 640x480 электрод задней пластины содержит 640 вертикальных проводов, а электрод передней пластины — 480 горизонтальных проводов. Если подавать напряжение на один из вертикальных проводов, а затем посылать импульсы на один из горизонтальных, можно изменить напряжение в определенной позиции пиксела и, таким образом, сделать нужную точку темной. Если то же самое повторить со следующим пикселом и т. д., можно получить темную полосу развертки, аналогичную полосам в электронно-лучевых трубках. Обычно изображение на экране перерисовывается 60 раз в секунду, чтобы создавалось впечатление постоянной картинки (так же, как в электронно-лучевых трубках).

Второй подход — применение активного матричного индикатора. Он стоит гораздо дороже, чем пассивный матричный индикатор, но зато дает изображение лучшего качества, что является большим преимуществом. Вместо двух наборов перпендикулярно расположенных проводов у активного матричного индикатора имеется крошечный элемент переключения в каждой позиции пиксела на одном из электродов. Меняя состояние переключателей, можно создавать на экране произвольную комбинацию напряжений в зависимости от комбинации битов.

До сих пор мы описывали, как работают монохромные мониторы. Достаточно сказать, что цветные мониторы работают на основе тех же общих принципов, что и монохромные, но детали гораздо сложнее. Чтобы разделить белый цвет на красный, зеленый и синий, в каждой позиции пиксела используются оптические фильтры, поэтому эти цвета могут отображаться независимо друг от друга. Из сочетания этих трех основных цветов можно получить любой цвет.

Символьные терминалы

Обычно используются три типа терминалов: символьные терминалы, графические терминалы и терминалы RS-232-C. Все эти терминалы в качестве входных данных получают набор с клавиатуры, но при этом они отличаются друг от друга тем, каким образом компьютер обменивается с ними информацией, и тем, каким образом передаются выходные данные. Ниже мы кратко опишем каждый из этих типов.

В персональном компьютере существует два способа вывода информации на экран: символьный и графический. Нарис. 2.28 показано, какпроисходитсимвольное отображение информации на экране (клавиатура считается отдельным устройством). На серийной плате связи находится область памяти, которая называется видеопамятью, а также несколько электронных устройств для получения доступа к шине и генерирования видеосигналов.

1 16 Глава 2. Организация компьютерных систем

Шина

Рис. 2.28. Схемаполучения выходногосигналанаэкранеперсональногокомпьютера

Чтобы отобразить на экране символы, центральный процессор копирует их в видеопамять в виде байтов. С каждым символом связывается атрибутивный байт, который описывает, какой именно символ должен быть изображен на экране. Атрибуты могут содержать указания на цвет символа, его интенсивность, а также на то, мигает он или нет. Таким образом, изображение 25x80 символов требует наличия 4000 байтов видеопамяти (2000 для символов и 2000 для атрибутов). Большинство плат содержат больше памяти для хранения нескольких изображений.

Видеоплата должна время от времени посылать символы из видео-ОЗУ и порождать необходимый сигнал, чтобы приводить в действие монитор. За один раз посылается целая строка символов, поэтому можно вычислять отдельные строки развертки. Этот сигнал является аналоговым сигналом с высокой частотой, и он контролирует развертку электронного луча, который рисует символы на экране. Так как выходными данными платы является видеосигнал, монитор должен находиться не дальше, чем в нескольких метрах от компьютера, чтобы предотвратить искажение.

Графические терминалы

При втором способе вывода информации на экран видеопамять рассматривается не как массив символов 25x80, а как массив элементов изображения, которые называются пикселами. Каждый пиксел может быть включен или выключен. Он представляет один элемент информации. В персональных компьютерах монитор может содержать 640x480 пикселов, но чаще используются мониторы 800x600 и более. Мониторы рабочих станций обычно содержат 1280x960 пикселов и более. Терминалы, отображающие биты, а не символы, называются графическими терминалами. Все современные видеоплаты могут работать или как символьные, или как графические терминалы под контролем программного обеспечения.

Основная идея работы терминала показана на рис. 2.28. Однако в случае с графическим изображением видео-ОЗУ рассматривается как большой массив битов. Программное обеспечение может задавать любую комбинацию битов, и она сразу же будет отображаться на экране. Чтобы нарисовать символы, программное обеспечение может, например, назначить для каждого символа прямоугольник 9x14 и заполнять его необходимыми битами. Такой подход позволяет программному обеспечению создавать разнообразные шрифты и сочетать их по желанию. Аппаратное обеспечение только отображает на экране массив битов. Для цветных мониторов каждый пиксел содержит 8, 16 или 24 бита.

Графические терминалы обычно используются для поддержки мониторов, содержащих несколько окон. Окном называется область экрана, используемая одной программой. Если одновременно работает несколько программ, на экране появляется несколько окон, при этом каждая программа отображает результаты независимо от других программ.

Хотя графические терминалы универсальны, у них есть два больших недостатка. Во-первых, они требуют большого объема видео-ОЗУ. В настоящее время обычно используются мониторы 640x480 (VGA), 800x600 (SVGA), 1024x768 (XVGA) и 1280x960. Отметим, что у всех этих мониторов отношение ширины и высоты 4:3, что соответствует соотношению сторон телевизионных экранов. Чтобы получить цвет, необходимо 8 битов для каждого из трех основных цветов, или 3 байта на пиксел. Следовательно, для монитора 1024x768 требуется 2,3 Мбайт видео-ОЗУ.

Из-за требования такого большого объема памяти приходится идти на компромисс. При этом для указания цвета используется 8-битный номер. Этот номер является индексом таблицы аппаратного обеспечения, которая называется цветовой палитрой и включает в себя 256 разделов, каждый из которых содержит 24 бита. Биты указывают на сочетание красного, зеленого и синего цветов. Такой подход, называемый индексацией цветов, сокращает необходимый объем видео-ОЗУ на 2/3, но допускает только 256 цветов. Обычно каждое окно на экране отображается отдельно, но при этом используется только одна цветовая палитра. К тому же, когда на экране присутствуют несколько окон, правильно передаются цвета только одного из них.

Второй недостаток графических терминалов — низкая производительность. Поскольку программисты осознали, что они могут управлять каждым пикселом во времени и пространстве, они, естественно, хотят осуществить эту возможность. Хотя данные могут копироваться из видео-ОЗУ на монитор без прохождения через главную шину, при доставке данных в видео-ОЗУ без использования шины не обойтись. Чтобы отобразить цветное изображение на полный экран размером 1024x768, необходимо копировать 2,3 Мбайт данных в видео-ОЗУ для каждого кадра. Для двигающегося видеоизображения должно сменяться по крайней мере 25 кадров в секунду, а скорость передачи данных должна составлять 57,6 Мбайт/с. Шина (E)ISA не может выдержать такую нагрузку, поэтому необходимо использовать видеокарты PCI, но даже в этом случае приходится идти на компромисс.

Ещеодна проблема, связанная с производительностью, — как прокручиватьэкран. Можно скопировать все биты в программное обеспечение, но это очень сильно перегрузит центральный процессор. Не удивительно, что многие видеокарты оснащены специальным аппаратным обеспечением, которое двигает части экрана не с помощью копирования битов, а путем изменения базовых регистров.

Терминалы RS-232-C

Одни компании производят компьютеры, а другие выпускают терминалы (особенно для больших компьютеров). Чтобы (почти) любой терминал мог работать с (почти) любым компьютером, Ассоциация стандартов в электронной промышленности разработала стандартный интерфейс для терминалов под названием RS-232-C.

Терминалы RS-232-C содержат стандартизированный разъем с 25 выводами. Стандарт RS-232-C определяет размер и форму разъема, уровни напряжения и значение сигнала на каждом выводе.

118 Глава2.Организациякомпьютерныхсистем

Если компьютер и терминал разделены, чаше всего их можно соединить только по телефонной сети. К несчастью, телефонная сеть не может передавать сигналы, требуемые стандартом RS-232-C, поэтому для преобразования сигнала между компьютером и телефоном, а также между терминалом и телефоном помещается устройство, называемое модемом (модулятор-демодулятор). Ниже мы кратко рассмотрим устройство модемов.

На рис. 2.29 показано расположение компьютера, модемов и терминала при использовании телефонной линии. Если терминал находится достаточно близко от компьютера, так, что их можно связать обычным проводом, модемы не подсоединяются, но в этом случае используются те же кабели и разъемы RS-232-C, хотя выводы, связанные с модемом, не нужны.

Некоторые сигналы

Защитное заземление (1)

—*~ Передача (2) - * — Прием (3)

-—*•* Запрос на передачу (4)

-* — Разрешение на передачу (5)

-* — Данные готовы (6)

Общий обратный провод(7) - * — Обнаружение несущей (8)

— * - Терминал готов (20)

Рис.2.29.СоединениетерминалаRS-232-Cскомпьютером. В списке сигналов в скобкахуказаны номера выводов

Чтобы обмениваться информацией, и компьютер, и терминал должны содержать микросхему UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter — универсальный асинхронный приемопередатчик), а также логическую схему для доступа к шине. Чтобы отобразить на экране символ, компьютер вызывает этот символ из основной памяти и передает его UART, который затем отправляет его по кабелю RS-232-C бит за битом. В UART поступает сразу целый символ (1 байт), который преобразуется в последовательность битов, и они передаются один за другим с определенной скоростью. UART добавляет к каждому символу начальный и конечный биты, чтобы отделить один символ от другого. При скорости передачи 110 бит/с используется 2 конечных бита.

В терминале другой UART получает биты и восстанавливает целый символ, который затем отображается на экране. Входная информация, которая поступает с клавиатуры терминала, преобразуется в терминале из целых символов в последовательность битов, а затем UART в компьютере восстанавливает целые символы.

Стандарт RS-232-C определяет около 25 сигналов, но на практике используются только некоторые из них (большинство из которых может опускаться, если терминал непосредственно соединен с компьютером проводом, без модемов). Штыри 2 и 3 предназначены для отправки и получения данных соответственно. По каждому выводу проходит односторонний поток битов (один в одном направлении, а другой в противоположном). Когда терминал или компьютер включен, он выдает сигнал готовности терминала (то есть устанавливает 1), чтобы сообщить модему, что он включен. Сходным образом модем выдает сигнал готовности набора данных, чтобы сообщить об их наличии. Когда терминалу или компьютеру нужно послать данные, он выдает сигнал запроса о разрешении пересылки. Если модем разрешает пересылку, он должен выдать сигнал о том, что путь для пересылки свободен. Другие выводы выполняют различные функции определения состояний, проверки и синхронизации.

Мыши

Время идет, а люди работают за компьютером, все меньше и меньше вдаваясь в принципы его работы. Компьютеры серии ENIAC использовались только теми, кто их конструировал. В 50-е годы с компьютерами работали только высококвалифицированные программисты. Сейчас за компьютерами работают многие люди, при этом они не знают (или даже не хотят знать), как работают компьютеры и как они программируются.

Много лет назад у большинства компьютеров был интерфейс с командной строкой, в которой набирались различные команды. Поскольку многие неспециалисты считали такие интерфейсы недружелюбными или даже враждебными, компьютерные фирмы разработали специальные интерфейсы с возможностью указания на экран. Для создания такой возможности чаще всего используется мышь.

Мышь — это маленькая пластиковая коробка, которая лежит на столе рядом с клавиатурой. Если ее двигать по столу, курсор на экране тоже будет двигаться, позволяя пользователям указывать на элементы экрана. У мыши есть одна, две или три кнопки, нажатие на которые дает возможность пользователям выбирать строки меню. Было очень много споров по поводу того, сколько кнопок должно быть у мыши. Наивные пользователи предпочитали одну (так как в этом случае невозможно нажать не ту кнопку), но более продвинутые предпочитали несколько кнопок, чтобы можно было на экране выполнять сложные действия.

Существует три типа мышей: механические, оптические и оптомеханические. У мышей первого типа снизу торчат резиновые колесики, оси которых расположены перпендикулярно друг к другу. Если мышь передвигается в вертикальном направлении, то вращается одно колесо, а если в горизонтальном, то другое. Каждое колесико приводит в действие резистор (потенциометр). Если измерить изменения сопротивления, можно узнать, на сколько провернулось колесико, и таким образом вычислить, на какое расстояние передвинулась мышь в каждом направле-

120 Глава 2. Организация компьютерных систем

нии. В последние годы такие мыши были практически полностью вытеснены новой моделью, в которой вместо колес используется шарик, который слегка высовывается снизу. Такая мышь изображена на рис. 2.30.

Управляемый мышью курсор

Кнопки мыши

Мышь

Резиновый шарик

Рис. 2.30. Использование мыши для указания на строки меню

Следующий тип — оптическая мышь. У нее нет ни колес, ни шарика. Вместо этого используются светодиод и фотодетектор, расположенный в нижней части мыши. Оптическая мышь перемещается по поверхности особого пластикового коврика, который содержит прямоугольную решетку с линиями, близко расположенными друг к другу. Когда мышь двигается по решетке, фотодетектор воспринимает пересечения линий, наблюдая изменения в количестве света, отражаемого от светодиода. Электронное устройство внутри мыши подсчитывает количество пересеченных линий в каждом направлении.

Третий тип — оптомеханическая мышь. У нее, как и у более современной механической мыши, есть шарик, который вращает два вывода, расположенных перпендикулярно друг к другу. Выводы связаны с кодировщиками. В каждом кодировщике имеются прорези, через которые проходит свет. Когда мышь двигается, выводы вращаются и световые импульсы воздействуют на детекторы каждый раз, когда между светодиодом и детектором появляется прорезь. Число воспринятых детектором импульсов пропорционально количеству перемещения.

Хотя мыши можно устанавливать по-разному, обычно используется следующая система: компьютеру передается последовательность из 3 байтов каждый раз, когда мышь проходит определенное минимальное расстояние (например, 0,01 дюйма). Обычно эти характеристики передаются в последовательном потоке битов. Первый байт содержит целое число, которое указывает, на какое расстояние переместилась мышь в направлении х с прошлого раза. Второй байт содержит ту же информацию для направления у. Третий байт указывает на текущее состояние кнопок мыши. Иногда для каждой координаты используются два байта.

Программное обеспечение принимает эту информацию по мере поступления и преобразует относительные движения, передаваемые мышью, в абсолютную позицию. Затем оно отображает стрелочку на экране в позиции, соответствующей расположению мыши. Если указать стрелочкой на определенный элемент экрана и щелкнуть кнопкой мыши, компьютер может вычислить, какой именно элемент компьютерной информации, соответствующий данному элементу на экране, был выбран.

Принтеры

Иногда пользователю нужно напечатать созданный документ или страницу, полученную из World Wide Web, поэтому компьютеры могут быть оснащены принтером. В этом разделе мы опишем некоторые наиболее распространенные типы монохромных (то есть черно-белых) и цветных принтеров.

Монохромные принтеры

Самыми дешевыми являются матричные принтеры, у которых печатающая головка последовательно проходит каждую строку печати. Головка содержит от 7 до 24 игл, возбуждаемых электромагнитным полем. Дешевые матричные принтеры имеют 7 игл для печати, скажем, 80 символов в строке в матрице 5x7. В результате строка печати состоит из 7 горизонтальных линий, а каждая из этих линий состоит из 5x80=400 точек. Каждая точка может печататься или не печататься в зависимости от того, какая нужна буква. На рис. 2.31, а показана буква «А*>, напечатанная на матрице 5x7.

Качество печати можно повышать двумя способами: использовать большее количество игл и создавать наложение точек. На рис. 2.31, б показана буква «А», напечатанная с использованием 24 игл, в результате чего получилось пересечение точек. Для получения таких пересечений обычно требуется несколько проходов по одной строке печати, поэтому чем выше качество печати, тем медленнее работает принтер. Большинство принтеров можно настраивать, создавая различные варианты соотношения качества и скорости.

оо ооо

оо

оо о о о

оо

оо

Рис. 2 . 31 . Буква «А» на матрице 5x7 (а); буква «А», напечатанная с использованием 24 игл. Получается наложение точек (б)

1 22 Глава 2. Организация компьютерных систем

Матричные принтеры дешевы (особенно в отношении расходных материалов)

иочень надежны, но работают медленно, шумно, и качество печати очень низкое. Однако они широко применимы, по крайней мере, в трех областях. Во-первых, они очень популярны для печати на больших листах (более 30 см). Во-вторых, ими очень удобно пользоваться при печати на маленьких отрезках бумаги (например, кассовых чеках, уведомлениях о снятии денег с кредитных карт, посадочных талонах в авиакомпаниях). В-третьих, они используются для распечатывания одновременно нескольких листов с вложенной между ними копировальной бумагой,

иэта технология самая дешевая.

Дома удобно использовать недорогие струйные принтеры. Подвижная печатающая головка содержит картридж с чернилами. Она двигается горизонтально над бумагой, а чернила в это время выпрыскиваются из крошечных выпускных отверстий. Внутри каждого отверстия капля чернил нагревается до критической точки и в конце концов вырывается наружу Единственное место, куда она может попасть из отверстия, — лист бумаги. Затем выпускное отверстие охлаждается, в результате создается вакуум, который втягивает следующую каплю. Скорость работы принтера зависит от того, насколько быстро повторяется цикл нагревания/охлаждения. Струйные принтеры обычно имеют разрешающую способность от 300 dpi (dots per inch — точек на дюйм) до 720 dpi, хотя существуют струйные принтеры с разрешающей способностью 1440 dpi. Они достаточно дешево стоят, работают бесшумно и дают хорошее качество печати, однако отличаются низкой скоростью, используют очень дорогие картриджи и производят распечатки, смоченные чернилами.

Вероятно, самым удивительным изобретением в области печатных технологий со времен Иоганна Гутенберга, который изобрел подвижную литеру в XV веке, является лазерный принтер. Это устройство сочетает хорошее качество печати, универсальность, высокую скорость работы и умеренную стоимость. В лазерных принтерах используется почти такая же технология, как в фотокопировальных устройствах. Многие компании производят устройства, совмещающие свойства копировальной машины, принтера и иногда также факса.

Основное устройство принтера показано на рис. 2.32. Главной частью этого принтера является вращающийся барабан (в некоторых более дорогостоящих системах вместо барабана используется лента). Перед печатью каждого листа барабан получает напряжение около 1000 вольт и окружается фоточувствительным материалом. Свет лазера проходит вдоль барабана (по длине) почти как пучок электронов в электронно-лучевой трубке, только вместо напряжения для сканирования барабана используется вращающееся восьмиугольное зеркало. Луч света модулируется, и в результате получается определенный набор темных и светлых участков. Участки, на которые воздействует луч, теряют свой электрический заряд.

После того как нарисована строка точек, барабан немного поворачивается для создания следующей строки. В итоге первая строка точек достигает резервуара с тонером (электростатически чувствительным черным порошком). Тонер притягивается к тем точкам, которые заряжены, и так формируется визуальное изображение строки. Через некоторое время барабан с тонером прижимается к бумаге, оставляя на ней отпечаток изображения. Затем лист проходит через горячие валики, иизображениезакрепляется. Послеэтогобарабанразряжается, и остаткитонера счищаются с него. Теперь он готов к печатанию следующей страницы.