Chast_1-Osnovy_informatiki

Рис.1.6. Структурная схема типичного интерфейса при программно-управляемой передаче данных.

команда, направляемая на дешифратор устройства через шину управления. В результате дешифратор выбирает определенный канал мультиплексора; каждый канал имеет необходимое количество информационных подканалов в

36

1 . Информационные процессы и средства их реализации

соответствии с выходом внешнего устройства. Далее микро-ЭВМ читает и обрабатывает информацию о состоянии УВВ с целью проверки, готово ли устройство (т. е. не занято ли обработкой предыдущей команды вводавывода). Состояние внешнего устройства обычно определяется в интерфейсе при помощи триггера, называемого флажком. Если устройство готово, соответствующий канал мультиплексора открыт и данные передаются в ЭВМ (например, в аккумулятор) через шину данных. В большинстве ЭВМ мультиплексор состоит из группы логических схем, соединяющих шину данных с выходом каждого внешнего устройства. Эти схемы используются для мультиплексной передачи данных через шину данных.

При передаче данных внешнему устройству по команде ввода-вывода на дешифратор устройства поступает команда выбрать соответствующий канал демультиплексора. Далее проверяется состояние внешнего устройства и, если последнее готово, данные передаются от ЭВМ на это устройство через группы фиксаторов демультиплексного канала (фиксатор – это разновидность триггера). Так как скорость выполнения операций большинства внешних устройств значительно меньше быстродействия микро-ЭВМ, для запоминания информации с шины до завершения обмена с внешним устройством используются фиксаторы. Наличие фиксаторов предотвращает ошибки, которые могли бы возникнуть из-за различия в скорости выполнения операций процессором и внешним устройством. Логические схемы, входящие в состав мультиплексора и демультиплексора, позволяют осуществлять обмен данными с различными внешними устройствами посредством единственной шины данных. Такой метод обмена называют обменом по групповой шине.

В случае передачи данных при прямом доступе к памяти обменом данными полностью управляют при помощи технических средств. По сравнению с программно управляемой передачей усложняется интерфейс. Структурная схема типичного интерфейса для этого случая представлена на рис. 1.7. Запрос на ПДП выдается внешним устройством, которое устанавливает флажок (триггер) запроса. После этого при помощи логических схем ПДП микропроцессор переводится в состояние ожидания путем подачи соответствующего сигнала на специальный вывод, например «Ожидание» или «Задержка». При переходе в это состояние процессор выдает блоку ПДП соответствующий сигнал, снимаемый с вывода «Подтверждение» процессора. Большинство процессоров с возможностью ПДП имеют вентили с тремя состояниями на шине данных и шине адреса. Когда процессор выдает сигнал подтверждения состояния «Ожидание» или «Задержка», эти вентили исполь-

37

Для идентификации операции, производимой с памятью: ввод или вывод (соответственно ЗАПИСЬ или ЧТЕНИЕ), на логические схемы ПДП подается управляющая информация. Регистр адреса загружается начальным адресом, и выполняется обмен данными между оперативной памятью и внешним устройством. После передачи каждого слова содержимое регистра адреса увеличивается на единицу для определения следующей ячейки памяти. После завершения обмена внешнее устройство выдает управляющий сигнал,

38

1 . Информационные процессы и средства их реализации

который сбрасывает флажок запроса и дезактивирует линию запроса к процессору, что позволяет микро-ЭВМ продолжить выполнение программы.

Внешние устройства передают и принимают данные либо в параллельном, либо в последовательном формате. В устройствах, использующих параллельный формат, таких, как аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, все разряды одного слова передаются одновременно. При использовании этих устройств интерфейс просто обеспечивает электронную совместимость и необходимую синхронизацию передачи данных между процессором (или шиной данных при ПДП) и внешним устройством. В устройствах с последовательным форматом данных, таких как телетайпы, модемы, слово данных передается поразрядно. В этом случае при обмене данными с процессором (или шиной данных при ПДП) в функцию интерфейса входит преобразование из последовательного кода в параллельный и из параллельного в последовательный. Для этой цели могут быть использованы специальные устройства на интегральных схемах.

1.4.2.4. Память

Память ЭВМ – это совокупность технических устройств, обеспечивающих запись, хранение и воспроизведение информации в ЭВМ.

Для этой цели применяют запоминающие устройства (ЗУ) оперативные (ОЗУ), постоянные (ПЗУ) и внешние (ВЗУ).

Оперативные запоминающие устройства используются для хранения программ и данных, изменяющихся в процессе работы ЭВМ, и предназначены для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в вычислительном процессе, реализуемом ЭВМ в текущий период времени. Главным достоинством оперативного запоминающего устройства является его высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно. В качестве недостатка ОЗУ следует отметить невозможность сохранения в нем информации после выключения питания машины (энергозависимость). Поэтому оперативные запоминающие устройства используются только для временного хранения программ и данных.

Постоянные запоминающие устройства используются для хранения команд и констант, когда не требуется изменять однажды записанную программу. ПЗУ – энергонезависимое устройство, используемое для хранения программ и данных, которые никогда не потребуют изменения. Прежде всего, в ПЗУ записывают программу управления работой самого микропроцессора, а также программы управления внешними устройствами (монитором,

39

1 . Информационные процессы и средства их реализации

клавиатурой, принтером и т. д.), программы запуска и остановки микроЭВМ, тестирования устройств.

Внешние запоминающие устройства служат для длительного хранения данных (программ, результатов расчетов, текстов и т. д.), не используемых в текущей работе микро-ЭВМ. Устройства этого типа, в отличие от ОЗУ, являются энергонезависимыми.

Состав и характеристики запоминающих устройств определяют производительность и вычислительные возможности микро-ЭВМ. В вычислительной машине, как правило, используются одновременно несколько типов запоминающих устройств, отличающихся принципом действия, характеристиками и назначением. В общем случае основными операциями с запоминающим устройством являются занесение информации в ЗУ (запись) и выборка информации из ЗУ (считывание). Обе эти операции называются обращением к ЗУ. При обращении к ЗУ производится считывание или запись некоторой единицы информации, различной для устройств разного типа. Такой единицей может быть, например, байт, машинное слово или блок данных. Важнейшими характеристиками отдельных запоминающих устройств являются емкость ЗУ и быстродействие.

Емкость (объем) ЗУ определяется максимальным количеством данных, которые могут в нем храниться. Обычно общий объем ЗУ измеряют в байтах или в производных от байта единицах – килобайтах, мегабайтах и т. п.

Быстродействие ЗУ определяется временем выполнения операции записи или считывания данных.

Память микро-ЭВМ организуется в виде иерархической структуры запоминающих устройств, обладающих различными емкостью и быстродействием. Такая структура позволяет экономически эффективно сочетать хранение больших объемов информации с быстрым доступом к информации в процессе обработки.

Основными типами внешних запоминающих устройств являются: ВЗУ на гибких магнитных дисках, ВЗУ на жестких магнитных дисках, ВЗУ на магнитной ленте, ВЗУ на компакт-дисках. В качестве носителей информации в этих ВЗУ используются соответственно гибкие магнитные диски, жесткие магнитные диски, кассеты и бобины с магнитной лентой, диски CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD. Основными характеристиками ВЗУ являются: информационная емкость, скорость обмена информацией, надежность хранения информации, стоимость. Рассмотрим ВЗУ различных типов.

40

1 . Информационные процессы и средства их реализации

1. ВЗУ на гибких магнитных дисках.

Для оперативного переноса информации небольших объемов используются так называемые гибкие магнитные диски (дискеты), которые вставляют в специальное устройство – дисковод. Основными параметрами гибких дисков являются: технологический размер (измеряется в дюймах), плотность записи (измеряется в кратных единицах) и полная емкость. Информация на гибкие диски записывается по концентрическим дорожкам (трекам), которые делятся на секторы. Количество дорожек и секторов зависит от типа и формата дискеты. Сектор хранит минимальную порцию информации, которая может быть записана на диск или считана. В настоящее время наибольшее распространение получили дискеты со следующими характеристиками: диаметр 3,5 дюйма (89 мм), емкость 1,44 Мбайт, число дорожек 80, количество секторов на дорожках 18. Гибкие диски являются относительно малонадежными носителями информации. Поэтому использовать их в качестве основного средства хранения информации нецелесообразно. Дискеты используют, как правило, для транспортировки информации или в качестве дополнительного (резервного) средства хранения.

2. ВЗУ на жестких магнитных дисках.

ВЗУ на жестких магнитных дисках, или винчестерский накопитель, − это наиболее массовое запоминающее устройство большой емкости, в котором носителями информации являются алюминиевые диски, с обеих сторон покрытые слоем магнитного материала. Жесткие диски предназначены для хранения той информации, которая достаточно часто используется в работе: программы операционной системы, компиляторы, сервисные программы, прикладные программы пользователей, текстовые документы, файлы баз данных и пр. Винчестерский накопитель обеспечивает более быстрый доступ к данным, чем дискета, и значительно превосходит ее в емкости и надежности.

3. ВЗУ на магнитной ленте.

ВЗУ этого типа находят ограниченное применение в микро-ЭВМ. 4. ВЗУ на компакт-дисках.

CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory − компакт-диск «только для чтения») − это оптический носитель информации, предназначенный только для чтения, на котором может храниться до 780 Мбайт данных. Доступ к данным на CD-ROM осуществляется быстрее, чем к данным на дискетах, но медленнее, чем на жестких дисках. Компакт-диск изготовлен из полимера и покрыт металлической пленкой. Информация считывается именно с этой металлической пленки, которая покрывается полимером, защищающим данные

41

1 . Информационные процессы и средства их реализации

от повреждения. CD-ROM является односторонним носителем информации. Считывание информации с диска происходит за счет регистрации изменений интенсивности отраженного от алюминиевого слоя излучения маломощного лазера. Приемник или фотодатчик определяет, отразился ли луч от гладкой поверхности, был рассеян или поглощен. Рассеивание или поглощение луча происходит в местах, где в процессе записи были нанесены углубления. Фотодатчик воспринимает рассеянный луч, и эта информация в виде электрических сигналов поступает в микропроцессор, который преобразует эти сигна-

лы в двоичные данные или звук. Носители CD-R (Compact Disk Recordable − компакт-диск с возможностью (однократной) записи) позволяют записывать собственные компакт-диски. Более перспективными являются носители CDRW (Compact Disk ReWriteable − перезаписываемый компакт-диск), которые позволяют записывать и перезаписывать диски CD-RW, записывать диски CD-R, читать диски CD-ROM, т. е. являются в определенном смысле универсальными. На смену технологии CD-ROM стремительно идет технология цифровых видеодисков DVD (Digital Video Disk). Эти диски имеют тот же размер, что и обычные CD, но вмещают до 17 Гбайт данных. На таких дисках выпускаются мультимедийные игры и интерактивные видеофильмы.

1.4.2.5. Устройства ввода-вывода

Устройства ввода-вывода (УВВ) информации предназначены для взаимодействия пользователя с микро-ЭВМ. Они обеспечивают ввод информации в память ЭВМ и выдачу ее по запросу. Широко используемыми устройствами ввода информации в современных микро-ЭВМ являются клавиатура, манипуляторы, сканеры.

Клавиатура – устройство, предназначенное для ручного ввода информации в микро-ЭВМ и подачи управляющих сигналов.

Клавиатура содержит стандартный набор клавиш пишущей машинки, управляющие и функциональные клавиши, клавиши управления курсором и малую цифровую клавиатуру. Все символы, набираемые на клавиатуре, немедленно отображаются на мониторе в позиции курсора (курсор – светящийся знак на экране монитора, указывающий позицию, на которой будет отображаться следующий вводимый с клавиатуры знак).

Все клавиши можно разбить на следующие группы:

– Буквенно-цифровые клавиши, предназначенные для ввода-вывода текста и чисел.

42

1 . Информационные процессы и средства их реализации

–Клавиши управления курсором (←, ↑, →, ↓, Page Up, Page Down, Home, End, Delete, Insert); эта группа клавиш может быть использована также для ввода числовых данных, просмотра и редактирования текста на экране. Для удобства работы они продублированы и состоят из трех групп: малая цифровая клавиатура; клавиши просмотра текста на экране и его редактирования; клавиши управления курсором.

–Специальные управляющие клавиши (Enter, Backspace, Ctrl, Alt, Shift, Tab, Esc, Caps Lock, Num Lock, Scroll Lock, Pause, Print Screen) предназначе-

ны для переключения регистров, прерывания работы программы, вывода содержимого экрана на печать, перезагрузки операционной системы микроЭВМ и пр.

–Функциональные клавиши (F1–F12), которые широко используются в сервисных программах в качестве управляющих клавиш и предназначены для различных специальных действий.

В техническом отношении клавиатура представляет собой совокупность электромеханических устройств, воспринимающих давление на клавиши и замыкающих определенную электрическую цепь.

Манипуляторы – это специальные устройства, которые используются для управления курсором.

Мышь имеет вид небольшой коробки. Мышь связана с компьютером кабелем через специальный блок – адаптер, и ее движения преобразуются в соответствующие перемещения курсора по экрану дисплея. В верхней части устройства расположены управляющие кнопки, позволяющие задавать начало и конец движения, осуществлять выбор меню и т. п.

Джойстик – это стержень-ручка, отклонение которой от вертикального положения приводит к передвижению курсора в соответствующем направлении по экрану монитора. В некоторых моделях в джойстик монтируется датчик давления. В этом случае, чем сильнее пользователь нажимает на ручку, тем быстрее движется курсор по экрану дисплея.

Трекбол – небольшая коробка с шариком, встроенным в верхнюю часть корпуса. Пользователь рукой вращает шарик и перемещает соответственно курсор. В отличие от мыши, трекбол не требует свободного пространства около компьютера, его можно встроить в корпус микро-ЭВМ.

Дигитайзер – устройство для преобразования изображений (чертежей, карт) в цифровую форму. Представляет собой плоский планшет, располагаемый на столе, и специальный инструмент – перо, с помощью которого указывается позиция на планшете. При перемещении пера по планшету фикси-

43

1 . Информационные процессы и средства их реализации

руются его координаты в близко расположенных точках, которые затем преобразуются в микро-ЭВМ в требуемые единицы измерения.

Сканер – устройство для считывания графической и текстовой информации в микро-ЭВМ с бумажных носителей информации.

Можно вводить текст, схемы, рисунки, графики, фотографии и другую информацию. Существует два формата представления графической информации в микро-ЭВМ:

растровый – изображение запоминается в виде мозаичного набора множества точек на экране монитора, редактировать такие изображения с помощью текстовых редакторов нельзя;

текстовый – информация идентифицируется характеристиками шрифтов, кодами символов, абзацев; стандартные текстовые процессоры предназначены для работы именно с таким представлением информации.

Сканеры бывают:

−черно-белые и цветные (число передаваемых цветов от 256 до

65536);

−ручные – перемещаются по изображению вручную, за один проход вводится небольшое количество информации, скорость считывания – 5–50 мм/сек;

−планшетные – сканирующая головка перемещается относительно оригинала автоматически, скорость сканирования – 2–10 сек на страницу;

−роликовые – оригинал автоматически перемещается относительно сканирующей головки;

−проекционные - напоминают фотоувеличитель, внизу − сканируемый документ, вверху – сканирующая головка;

−штрих-сканеры – устройства для считывания штрих-кодов на товарах в магазинах.

Для вывода информации широко используются следующие устройства: мониторы, принтеры, плоттеры.

Монитор − устройство вывода на экран текстовой и графической информации.

Мониторы бывают цветными и монохромными. Они могут работать в одном из двух режимов: текстовом или графическом. В текстовом режиме экран монитора условно разбивается на отдельные участки − знакоместа, чаще всего на 25 строк по 80 символов (знакомест). В каждое знакоместо может быть выведен один из 256 заранее определенных символов. В число этих символов входят заглавные и строчные латинские буквы, цифры, определенные символы, а также псевдографические символы, используемые для выво-

44

1 . Информационные процессы и средства их реализации

да на экран таблиц и диаграмм, построения рамок вокруг участков экрана и так далее. В число символов, изображаемых на экране в текстовом режиме, могут входить и символы кириллицы. На цветных мониторах каждому знакоместу может соответствовать свой цвет символа и фона, что позволяет выводить на экран цветные надписи. На монохромных мониторах для выделения отдельных частей текста и участков экрана используется повышенная яркость символов, подчеркивание и инверсное изображение. Графический режим предназначен для вывода на экран графической информации (рисунки, диаграммы, фотографии и т. п.). В этом режиме можно выводить также и текстовую информацию − в виде различных надписей, причем эти надписи могут иметь произвольный шрифт, размер и т. д. В графическом режиме экран состоит из точек, каждая из которых может быть темной или светлой на монохромных мониторах и одного или нескольких цветов − на цветном. Количество точек на экране называется разрешающей способностью монитора в данном режиме. Следует заметить, что разрешающая способность не зависит от размеров экрана монитора. Еще одним важным параметром монитора является частота кадровой развертки (частота смены изображения на экране). Чем больше частота, тем устойчивее изображение на экране, а значит, меньшая нагрузка приходится на зрение. В настоящее время мониторы должны поддерживать следующие частоты кадровой развертки: 72, 85 и 100 Гц.

Принтеры − печатающие устройства, предназначенные для вывода информации; они преобразуют информационные ASCII-коды в соответствующие им графические символы и фиксируют эти символы на бумаге.

Принтеры бывают черно-белые и цветные. По способу печати они делятся на матричные, струйные и лазерные.

В матричных принтерах изображение формируется из точек ударным способом, игольчатая печатающая головка перемещается в горизонтальном направлении, каждая игла управляется электромагнитом и ударяет бумагу через красящую ленту. Количество игл (от 9 до 24) определяет качество печати, скорость печати 100–300 символов/сек, разрешающая способность

5точек на миллиметр.

Вструйных принтерах в печатающей головке вместо игл используются

тонкие трубки − сопла, через которые на бумагу выбрасываются мельчайшие капли чернил (12–64 сопла), скорость печати до 500 символов/сек, разре-

шающая способность − 20 точек на миллиметр.

В лазерных принтерах используется электрографический способ формирования изображений, лазер служит для создания светового луча, вычерчивающего на поверхности светочувствительного барабана контуры точеч-

45