Новые информационные технологии. Часть 1. Основы и аппаратное обеспечение / gl3

Для устранения этого серьезного недостатка используется раз-

бивка одного диска на несколько логических дисков (разделов). Для этого используются специальные утилиты MS-DOS, и этот процесс подробно описан в старой литературе по компьютерам. Обычно гибкие диски имеют имена A и B, а жесткий диск – C. Если он разбит на разделы, то появятся логические диски с именами D, E и т.д.

Уже во второй редакции Windows 95, а затем и в массовой Windows 98 появилась файловая система FAT32 с 32-разрядной таблицей размещения файлов. В ней 232 кластеров, а максимальный размер кластера 32 Кбайта. Это означает, что емкость жесткого диска может доходить до 2048 Гбайт или до 2 Тбайт. При реально используемой емкости жесткого диска до десятков гигабайт размер кластера уменьшается до 4 Кбайт. Это ведет к существенному уменьшению потерь дисковой памяти.

Иногда при записи даже небольшого файла Windows сообщает, что емкость диска исчерпана. Это часто связано с хранением так называемых временных файлов, которые создает как сама операционная система, так и некоторые прикладные программы. Одним из источников больших по размеру временных файлов является так называемая виртуальная память, широко используемая в операционных системах класса Windows.

По этим причинам в последнее время даже при использовании дисков с емкостью 5-40 Гбайт разбивка их на логические разделы часто не практикуется. Да и зачем она? Вы можете создавать на диске сколько хотите папок со своими именами и пользоваться ими для хранения своих файлов. Предоставьте Windows делать то, что она умеет – рационально распределять дисковое пространство.

Файлы, записанные на диск, могут занимать множество кластеров, причем они могут располагаться в самых разных местах диска. Ясно, что разрывный характер файла замедляет его считывание. Поэтому созданы специальные программы - дефрагментаторы, которые объединяют кластеры в одну цепочку и ускоряют считывание информации.

С кластерами связана еще одна проблема - они могут оказаться дефектными, например, из-за сбоя программы или отключения электропитания в момент, когда файл не успел полностью записаться на диск. Наконец, случается, что один и тот же кластер захватывается двумя файлами, что чревато потерей информации при модификации или стирании одного из файлов. Есть специальные программы, которые убирают дефектные кластеры и ликвидируют их сцепление.

103

Наконец, нельзя не упомянуть реестр файлов (registry), входящий в операционные системы класса Windows. Реестр – это специальным образом организованный каталог всех средств ПК – аппаратных и программных. Установка или удаление любого устройства или программного средства фиксируется в реестре. Реестр, как и файловая таблица, дублируется и восстанавливается при случайной порче. Существует специальная программная утилита – редактор реестра. Ее применение рекомендуется только опытным пользователям.

3.4.6. Интерфейсы дисковых накопителей

Для подключения накопителей используются дисковые интерфейсы - совокупность аппаратных и программных средств, обеспечивающих общение накопителей с прочими узлами ПК и пользователем. В ПК умеренной стоимости используются следующие типы интерфейсов:

•IDE (Integrated Drive Electronics) – устаревший интерфейс жестких дисков фирмы Western Digital с последовательной (бит за битом) передачей данных, позволяющий подключать 2 жестких диска с емкостью до 528 Мбайт каждый.

•ESDI (Enhanced Small Device System) - улучшенный интерфейс для малых систем.

•ATA (AT Attrachment) - 16-разрядный интерфейс IDE для ПК клас-

са AT, предложенный фирмами CDC, Compaq, Western Digital и др.

•Fast ATA - современный быстрый интерфейс, поддерживающий логический блочный доступ (Logical Block Address - LBA) без ограничения в 528 Мбайт. Предложен фирмой Seagate.

•EIDE (Enhanced IDE) – как и Fast ATA поддерживает до 4 уст-

ройств с емкостью более 528 Мбайт, моды 0 – 4 и режим LBA. Предложен фирмой Western Gigital. Самый распространенный интерфейс современных домашних и офисных ПК.

Профессиональные интерфейсы SCSI, SCSI-2 и SCSI-3 применяются в относительно дорогих и мощных ПК, таких, как серверы локальных сетей. Мы их не рассматриваем.

104

3.5. Накопители на оптических (лазерных) дисках

3.5.1. Звуковые компакт - диски CD и их проигрыватели

Появлению компьютерных лазерных дисков CD-ROM предшествовала разработка звуковых компакт-дисков (Audio-CD) с лазерным считыванием информации. Это кружок из прозрачной прочной пластмассы (поликарбоната) с диаметром 8 или чаще 12 см и толщиной 1,2 мм. Информационный слой диска расположен на внешней стороне - она находится сверху при установке диска на поддон

проигрывателя (рис. 3.15).

Рис. 3.15. Оптический компактдиск в лотке CD-ROM-драйва

Диск получается штамповкой с помощью специально изготовленной металлической матрицы. Информация хранится в виде углублений - питов на внешней поверхности диска сверху

(рис. 3.16). Она по-

крыта тончайшим слоем метала для отражения света и слоем защитного лака с надписью или рисунком – титулом диска.

Рис. 3.16. Устройство диска CD-ROM и CD-ROM -драйва

В считывателе компакт-дисков информация считывается лазерным лучом, который создает полупроводниковый лазер. Диаметр пятна на нерабочей поверхности диска составляет около 1 мм, поэтому пылинки, частички грязи и даже мелкие царапины не сказываются на считывании. Оно осуществляется специальной считывающей головкой с линзой и электронной системой слежения.

105

Отражательные способности питов и промежутков между ними сильно различны, поэтому лазерный луч модулируется по интенсивности. Часть его через поляризационную систему отводится на фотодиод, который преобразует модулированный световой луч в электрические сигналы, усиливаемые усилителем. При считывании лазерный луч фокусируется в пятно размером около 1 мкм.

Длина питов от 0,8 до 3,2 мкм, а ширина - 0,4 мкм. Питы имеет глубину 0,12 мкм. Питы расположены по спирали - дорожке с шагом 1,6 мкм. На одном дюйме расположено 16000 витков спирали. Объем информации на диске достигает 1 Гбайта. Этого вполне достаточно для хранения высококачественной стереофонической (двухканальной) записи в течение 90 минут и ее многократного воспроизведения без каких либо потерь качества.

3.5.2. CD-ROM-драйвы

На основе звуковых дисков вскоре были созданы лазерные ком- пакт-диски CD-ROM, допускающие только считывание информации. Емкость CD-ROM до 800 Мбайт. На диск можно поместить энциклопедии и справочники, по объему эквивалентные десяткам томов книг.

Первые CD-ROM-драйвы с конструкцией, показанной на рис. 3.16, имели скорость считывания в 150 Кбайт/c. Затем ее стали задавать кратной этой скорости. Так что драйвы с двойной скоростью имеют скорость считывания 2 × 150 = 300 Кбайт/c, драйвы с учетверенной скоростью 600 Кбайт/c и т.д. В ноутбуках применяются в основном CD-ROM-драйвы с кратностью скорости 24, тогда как в настольных ПК она обычно достигает 48-50 и даже выше.

Важным параметром является также среднее время доступа (поиска первого нужного сектора). Обычно оно порядка 0.2-0.4 с, а в новых драйвах с повышенной скоростью считывания и с дополнительным буфером кэш-памяти драйва оно существенно ниже. Емкость буфера обычно лежит в пределах от 32 до 256 Кбайтов.

3.5.3. Оптические видеодиски Video-CD и MP4

Для воспроизведения видеофильмов и компьютерных игр в последнее время были созданы усовершенствованные видеосредства – прежде всего видеоадаптеры и оптические диски. В них использованы средства стандарта MPEG, предложенного авторитетной группой экспертов в области движущихся изображений (Motion Picture Expert Group или сокращенно MPEG).

106

Изучение смежных телевизионных кадров реальных изображений показало, что на них меняются только небольшие фрагменты изображений, а в остальном эти кадры похожи друг на друга как две капли воды. Отсюда и появилась идея использовать для передачи кадров редкие опорные кадры, сжатые по методу JPEG (популярный стандарт сжатия отдельных рисунков), а в большую часть времени передавать только изменения в кадрах.

Было предложено два варианта метода. Первый MPEG-1 при воспроизведении дает качество изображения, характерное для аналоговых видеомагнитофонов стандарта VHS и обычных портативных видеокамер. При этом возможна программная декомпрессия изображений. Другой стандарт MPEG-2 ориентирован на получение студийного качества изображения с аппаратной декомпрессией.

Попутно была решена проблема эффективного сжатия звуковых сигналов – были созданы диски формата MP3, вмещающие полторадва десятка альбомов музыкальных произведений. Первое время покупатели аудиодисков и CD-ROM даже не поняли, что в продаже появился новый тип оптических дисков - Video-CD. Просто на прилавках магазинов рядом с CD-ROM стали появляться диски с названиями популярных фильмов и видеоклипов популярных поп-звезд. Время воспроизведения у таких дисков невелико – до 74 минут.

Особое значение в последние годы приобрели компакт-диски нового поколения – формата MP4. Он позволяет довести время воспроизведения видеофильмов с высококачественным звуковым сопровождением до примерно 3 часов. При этом обеспечивается качество воспроизведения, вплотную приближающееся к качеству дисков DVD, но при намного меньшей стоимости дисков (у нас 2-3 $).

3.5.4.Записывающие и перезаписывающие CD-RW - драйвы

Внастоящее время созданы различные драйвы как с однократной записью, так и многократной – CD-RW. На рис. 3.17 показан внешний CD-RW-драйв корпорации Hewlett Packard, разработанный для ноутбуков. Он выполнен в изящном корпусе, напоминающем корпуса миниатюрных проигрывателей звуковых CD и имеющем откидывающуюся верхнюю крышку. Под ней виден механизм привода оптического диска и объектив лазерной головки.

107

Рис. 3.17. Внешний CD-RW-драйв корпорации Hewlett Packard

Этот драйв подключается к ноутбуку через PC-карту с разъемом с помощью специального шнура. Это делает CD-RW-драйв пригодным для подключения к любому ноутбуку, даже с отсутствующим или занятым разъемом USB. Такие драйвы выпускаются и для настольных ПК. По внешнему виду они почти не отличаются от

обычных CD-ROM-драйвов. Но требуют специального программного обеспечения для осуществления записи.

3.5.5. DVD-драйвы

Теперь поговорим о новинке видеотехнологий – цифровых уни-

версальных дисках DVD (Digital Versatile Disc). Для чтения этих новых дисков, внешне таких же, как CD-ROM, применяются полупроводниковые лазеры с меньшей длиной волны - 0,635-0,65 мкм. За счет этого удалось уменьшить диаметр сфокусированного луча до 0,5 мкм и обеспечить уверенное считывание информации с сузившихся информационных дорожек с повышенной плотностью питов. Все это позволило увеличить объем записанной информации даже на однослойном диске до 4,7 Гбайт.

Укорочение длины волны лазера привело к тому, что для фокусировки потребовалось уменьшение вдвое толщины основы диска - до 0,6 мм. Однако такой диск оказался слишком тонким и ломким. Поэтому пришлось сверху основного диска «приклеить» еще один пустой диск. Так появились первые однослойные DVD-диски.

Конструкторы довольно быстро догадались, что второй диск можно сделать также с питами. При этом оба диска склеивались теми сторонами, на которых расположены питы. Так появились двухслойные диски с емкостью до 8,5 Гбайта. Для перехода от одного слоя к другому надо просто сместить лазерную головку примерно на 40 мкм именно настолько отстоят друг от друга поверхности с питами у двух информационных слоев.

Затем эта идея была развита дальше - появились диски с двумя информационными слоями на одной поверхности и даже с четырьмя

108

на сдвоенных дисках. В последнем случае приходится использовать две лазерные головки, направляющие лучи на обе стороны диска. Емкость такого диска возрастает до 17 Гбайт.

Дисководы DVD стоят заметно дороже CD-ROM-драйвов. Современные дисководы DVD поддерживают воспроизведение звуковых, видео- и программных файлов большинства ранее известных форматов. Здесь уместно отметить, что DVD-драйвы выпускаются с разными настройками на разные зоны. Например, зона 1 - это США и Канада, зона 4 - Россия и страны СНГ, 6 – все зоны. Сейчас наиболее удобны мультизонные DVD. Выпуск таких дешевых дисков освоен в России, хотя и не всегда на законных основаниях.

3.6. Мультимедиа-оснащение ПК

3.6.1. Видеосистема и видеоадаптер ПК

Для высококачественного представления информации служит видеосистема ПК. Она представлена видеоадаптером внутри системного блока и внешним дисплеем (устройством отображения). Некоторые видеоадаптеры по сложности не уступают материнской плате ПК. В них используется графический процессор с десятками миллионов транзисторов. Такие видеокарты оснащены одним и даже двумя вентиляторами для охлаждения. Профессиональные видеокарты стоят намного дороже самого компьютера.

Назначение видеоадаптера заключается в преобразовании цифровых сигналов компьютера в аналоговые видеосигналы (чаще всего RGB), с которыми работает дисплей компьютера. На дисплей они подаются с помощью VGA-разъема. Видеоадаптер в виде платы расширения вставляется в слот-расширения или в слот видеопорта AGP. Нередко видеоадаптер интегрирован с системной платой ПК.

Изображение на экране дисплея состоит из отдельных точек (точнее маленьких квадратиков), называемых пикселями. Чем больше пикселей на экране, тем выше качество изображения. Каждый пиксель характеризуется своими координатами по горизонтали и вертикали и атрибутами, задающими его цвет или иные особые свойства, например, возможность мигания. Совокупность пикселей изображения образует кадр изображения, а смена кадров с достаточно высокой частотой создает то изображение, которое мы наблюдаем на экране дисплея.

За годы развития ПК был разработан ряд видеоадаптеров: MDA – монохромный видеоадаптер для текстового режима;

109

CGA – цветной видеоадаптер для текстового и графического режимов; MGA – монохромный графический адаптер (Hercules);

EGA – улучшенный графический адаптер;

VGA – цветной видеоадаптер (видеографическая матрица); SVGA – супер-VGA цветной графический видеоадаптер;

XGA – расширенная по возможностям видеографическая матрица. Эти видеоадаптеры, за исключением SVGA и XGA, сейчас уже

не выпускаются. Но их режимы работы поддерживаются новыми видеоадаптерами. Они могут работать в текстовом и графическом режимах как низкого, так и высокого разрешений.

Видеоадаптеры характеризуются рядом основных параметров:

•емкость видео-ОЗУ (кадрового буфера);

•разрядность видеоадаптера,

•разрешающая способность в пикселях по горизонтали и вертикали,

•режимы работы (текстовый, графический),

•максимальное число цветов для заданного разрешения,

•максимальные частоты строчной и кадровой развертки,

•возможность программной загрузки знакогенератора.

Ниже приводятся данные об указанных типах видеоадаптеров:

Современные видеоадаптеры могут иметь число цветов до 16.7 миллионов (True Color) и даже выше. Важными параметрами являются также диапазон частот кадровой развертки (обычно от 45 до 75-150 Гц) и диапазон частот строчной развертки (от 30 до 80 кГц). Высокие (выше 100 Гц) частоты кадровой развертки полностью устраняют мерцание изображения.

110

Заметное повышение скорости обмена информацией между процессором ПК и видеоадаптером достигается применением рассмотренных ранее локальных шин с повышенной скоростью передачи информации. В настоящее время это шина порта AGP.

3.6.2. Видеоадаптеры с кадровым буфером

Одним из эффективных решений повышения быстродействия видеоадаптеров стало оснащение их быстрым двухпортовым видеоОЗУ – кадровым буфером. Такое ОЗУ со специальной организацией одновременно обеспечивает прием видеоинформации от ПК и передачу ее цифро-аналоговому преобразователю (ЦАП или RAMDAC) видеоадаптера, который преобразует цифровую информацию в аналоговый видеосигнал, управляющий интенсивностью электронных лучей ЭЛТ.

Хорошо известно, что содержание видеобуфера от кадра к кадру обычно меняется незначительно. Следовательно, совершенствуя структуру кадрового буфера и вводя специальные приемы обработки больших блоков информации, хранимой в буфере, можно избежать необходимости на каждом кадре передавать всю информацию из ПК в видеоадаптер и лишь перераспределять большую часть информации между ячейками специального буфера. На этом основана работа нового поколения видеоадаптеров с интеллектуальным видеобуфером.

3.6.3. Видеоадаптеры с 2-D - ускорителем и графическим процессором

Графические изображения часто состоят от отдельных отрезков прямых, дуг, окружностей, точек и т.д. В некоторые видеоадаптеры были введены специальные акселераторы (ускорители) и графические процессоры для ускорения подобных построений.

Например, если строится окружность обычным способом, то нужно рассчитать координаты сотен ее точек, что сильно загружает центральный процессор. Но в адаптере с 2D графическим процессором от центрального процессора поступает небольшой пакет данных, указывающих координаты центра окружности и ее радиус. Расчет по ним координат всех точек осуществляет уже графический процессор – а основной при этом занят другими вычислениями. Это резко уменьшает время графических построений.

Акселератор отличается от сопроцессора тем, что не программируется и все программы построений находятся в специальном ОЗУ.

111

Акселераторы обычно эффективно работают с определенными классами программ – например, с мощным пакетом AutoCAD для машиностроительных чертежей.

3.6.4. Видеоадаптеры с аппаратной декомпрессией изображений

Повышение качества и размеров изображения потребовало разработки новых, более совершенных алгоритмов компрессии и декомпрессии изображений. Для этого была создана специальная группа экспертов по подвижным изображениям - Motion Picture Experts Group. Она создала один из наиболее совершенных стандартов - MPEG. Он имеет две реализации: MPEG1 для аппаратной декомпрессии и MPEG2 для декомпрессии программными средствами (пригоден для ПК Pentium 90 и выше). Для компрессии/декомпрессии звуковых сигналов используется стандарт MP3, а для видеофильмов – MP4.

Для поддержки этих форматов изображений в видеоадаптеры была введена быстрая аппаратная декомпрессия сжатых изображений. Ныне она реализована в большинстве видеокарт современных ПК, в том числе и в ноутбуках.

3.6.5. Видеоадаптеры с ускорителями 3D-графики

Наиболее совершенные видеоадаптеры поддерживают быстрое построение трехмерных объектов – 3D-графики. Для этого в них применяются 3D-процессоры. Иногда их именуют Doom-процессорами по имени популярной игры с трехмерной графикой. Такими процессорами поддерживается и технология создания и быстрого перемещения спрайтов - подвижных объектов, составленных из ряда слоев - полупрозрачных и прозрачных. Спрайты давно используются в играх для создания быстро перемещаемых по экрану сложных объектов с изменяющейся формой и видом (например, человечков, облаков, машин, самолетов, ракет и т.д.).

Построение 3D-объектов обычно ведется в две стадии. Во время первой – геометрической обработки изображения - оно разбивается на треугольники или реже на многоугольники, координаты углов которых пересчитываются при необходимости построения 3D-объектов в динамике их перемещения по экрану дисплея.

Вторая стадия заключается в закраске многоугольников с учетом различных световых эффектов отражения и рассеивания света от внешнего источника света, освещающего объект, наложении тексту-

112