Лекции по курсу Периферийные устройства компьютеров

Лекция12

Внешниезапоминающиеустройства

Классификацияи характеристики

внешнихзапоминающихустройств

План

1. Классификациявнешних запоминающихустройств.

2. Основы магнитнойзаписи.

3. Схемы записии воспроизведения.

4. Представлениецифровой информациина внешнемносителе.

1. Классификациявнешних запоминающихустройств

Дляэффективнойобработкиданных необходимообеспечитьпри минимальныхзатратах хранениебольших объемовинформациии быстрый доступк ней. Эти требованияпротиворечивыи при современномуровне технологиикомпромиссмежду емкостью,быстродействиемпамяти и затратамина нее достигаетсяза счет созданияиерархическойструктуры,включающейв себя сверхоперативный,основной, внешнийи архивныйуровни. Внешнийи архивныйуровни образуютсистемувнешней памяти.В ее составвходят разнородныевнешние запоминающиеустройства(ВЗУ), контроллерыВЗУ, а такженосители информациии хранилищадля них.

КонтроллерыВЗУ, какправило, размещаютсяв системномблоке ПЭВМ иреализуютфункции контроляисправностиВЗУ, помехоустойчивогокодирования,обнаруженияошибок присчитывании,задания форматаданных, формированиясигналов интерфейсав соответствиис протоколоми др.

Потипу носителяразличают ВЗУс подвижными неподвижнымносителем. Еслипоиск, записьи считываниеинформациисопровождаютсямеханическимперемещениемносителя, тотакие ВЗУ называютнакопителямис подвижнымносителем. Кэтой категорииотносят накопителина магнитныхлентах (НМЛ),магнитныхдисках (НМД) иоптическихдисках (НОД).Накопителина основецилиндрическихмагнитныхдоменов (ЦМД)относятся кнакопителямвторой категории.Реже во ВЗУиспользуютобъемную запись- полупроводниковыеЗУ, приборы сзарядной связью.

Поспособу доступак информациивсе ВЗУ делятсяна накопителис последовательным(НМЛ) и прямым(произвольным)доступом (НГМД,НЖМД).

ОсновнымитехническимихарактеристикамиВЗУ являются:

1) информационнаяемкостьопределяетнаибольшееколичествоединиц данных,которое можетодновременнохраниться вВЗУ. Она зависитот площади иобъема носителя,а также от плотностизаписи;

2) плотностьзаписи- число битинформации,записанныхна единицеповерхностиносителя. Различаютпродольнуюплотность(бит/мм),т.е. число битна единицедлины носителявдоль вектораскорости егоперемещения(по дорожке), ипоперечнуюплотность(бит/мм), т.е. числобит на единицедлины носителяв направлении,перпендикулярномвектору скорости(число дорожек);

3) времядоступа,т.е. интервалвремени отмомента запроса(чтения илизаписи) до моментавыдачи блока.Это время включаетв себя времяпоиска информациина носителеи время чтенияили записи;

4) скоростьпередачи данныхопределяетколичестводанных, считываемыхили записываемыхв единицу времении зависит отскорости движенияносителя, плотностизаписи, числаканалов и т.п.

2. Основымагнитнойзаписи

аписьи считываниеинформациипроисходятв процессевзаимодействиямагнитногоносителя имагнитнойголовки (МГ),которая представляетсобой электромагнит.Материал магнитногопокрытия можнопредставитьмножествомхаотическирасположенныхмагнитныхдоменов, ориентациякоторых изменяетсяпод действиемвнешнего магнитногополя (рис. 12.1),создаваемогоМГ при подачев ее обмоткутока записи.Если МГ приводитк ориентациидоменов в плоскостиносителя (рис.12.1, б, в), то магнитнуюзапись называютгоризонтальной,а если - к ориентациидоменов перпендикулярноплоскостиносителя (рис.12.1, г, д), то магнитнуюзапись называютвертикальной.Хотя вертикальнаязапись потенциальнопозволяетдобиться болеевысокой плотностизаписи, наиболеераспространенагоризонтальнаязапись.

Длярегистрацииинформациииспользуетсяпереход отодного состояниянамагниченностив противоположное.Этот переходявляется«отпечатком»,который можетбыть обнаруженс помощью МГчтения.

Длягоризонтальноймагнитнойзаписи МГзаписи имеетнебольшойзазор, черезкоторый замыкаетсямагнитныйпоток. Под действиемтока в обмоткедомены носителяориентируютсяв одном направлении.Если изменитьнаправлениетока записиI_w,то ориентациядоменов будетпротивоположной(рис. 12.2). Количествопереходов,размещаемыхна единицеплощади носителя,называют физическойплотностьюзаписи.Этот параметрзависит отметода магнитнойзаписи, величинызазора в МГ иее конструкции,расстояниямежду МГ и покрытиемносителя и др.

слиплотностьзаписи оченьбольшая,то соседниепереходы влияютдруг на другаи это должноучитыватьсяпри построениисхем записии воспроизведения.

Магнитнаяголовка чтенияпозволяетопределитьмоменты времени,когда при движенииносителя подней оказываютсяграницы междуучастками спротивоположнымисостоянияминамагниченности.Магнитныйпоток, создаваемыйдоменами носителя,частично замыкаетсячерез магнитопроводМГ чтения. Длясокращениядлительностиимпульсавоспроизведенияуменьшают зазорв головке, толщинумагнитногопокрытия ирасстояниемежду МГ и покрытием.

Еслирасстояниеот МГ до покрытияравно нулю, тореализуетсяконтактнаязапись (НМЛ,НГМД). Трениемежду носителеми МГ вызываетих износ иограничиваетскорость движенияносителя. ПрииспользованииНЖМД реализуютбесконтактнуюзапись, прикоторойМГ находитсяна расстоянии0,2-5 мкм над поверхностьюносителя.

3. Схемызаписи и воспроизведения

Чтобысоздать магнитныйпоток МГ, в ееобмотке долженпротекать токI_wили-I_wв процессезаписи, а чтобыпредотвратитьразрушениезаписаннойинформациипри хранениии считывании,ток записидолжен отсутствовать.Этого можнодобиться спомощью следующейсхемы (рис. 12.3,а).МГ записи имеетдве обмоткиW₁и W₂, включенныевстречно. Приналичии разрешающегосигнала записиWR ток от источникачерез резисторR протекает пообмотке W₁, переводяноситель в одноиз состоянийнамагниченности.Противоположноесостояниенамагниченностисоздается припротеканиитока 2I_wпо обмотке W₂.Этот ток формируетсяусилителемзаписи приналичии сигналаразрешениязаписи и сигналаот схем кодирования.

Использованиеэлементов стремя состояниями(Кл – ключ, переключатель)позволяетуменьшитьэнергетическиезатраты и несколькоповыситьбыстродействие,так как требуеткоммутациименьших токов(рис. 12.3, б). Присчитываниинеобходимовыделять слабыеполезные сигналына фоне помехи амплитудно-частотныхискажений.

.Представлениецифровой информациина внешнемносителе

Способызаписи устанавливаютсоответствиеотпечатковна поверхностиносителя значениям«0» и «1». Наиболеераспространеннымиявляются способызаписи безвозврата к нулю(БВН), частотной(ЧМ) и фазовой(ФМ) модуляции,групповогокодирования(ГК). Трактомиликаналомзаписи-воспроизведенияназывают совокупностьаппаратныхсредств, позволяющихпри операцияхзаписи получатьотпечатки ивосстанавливатьзаписаннуюкодовую последовательностьпри операцияхчтения. Примагнитнойзаписи основнымикомпонентамитракта являютсяголовка записии воспроизведения,усилителизаписи и воспроизведения,детекторыинформационныхи синхронизирующихсигналов, схемыуправления.

Рассмотримнаиболеераспространенныйспособ записи– «безвозврата кнулю».Суть этогоспособа состоитв том, что призаписи «1»направлениетока изменяется,а при записи«0» - не изменяетсяи отпечатковна поверхностиносителя неостается. Записьи чтение осуществляютсяпри постояннойскорости перемещенияносителя. Длявоспроизведения«0» и отделенияих от «1» используютсясинхроимпульсы(рис. 12.4), которыепри считываниимогут воспроизводитьсяавтономнымтактовым генераторомили считыватьсякак служебнаяинформациясо служебнойдорожки носителя.

Вопросык лекции

1.Какие характеристикипытаются улучшитьпри разработкеВЗУ для тогочтобы повыситьскорость передачиданных? За счеткаких техническихрешений этодостигается?

________________________________________________________________________________________________

Курс«Периферийныеустройства»

(лекции)

-7-

Лекция13

Накопителина гибких магнитныхдисках

План

1. Структуранакопителяна гибких магнитныхдисках.

2. Метод записиданных на гибкиймагнитный диск.

3. Формат записиинформациина гибком магнитномдиске.

4. Адаптернакопителейна гибких магнитныхдисках.

1. Структуранакопителяна гибких магнитныхдисках

стройствонакопителяна гибких магнитныхдисках (НГМД)(рис. 13.1) включаетГМД, пять основныхсистем (приводноймеханизм, механизмпозиционирования,механизм центрованияи крепления,систему управленияи контроля,систему записи-считывания)и три специальныхдатчика (датчикиндексногоотверстия,датчик запретазаписи, датчикдорожки 00).

Полезнаяповерхностьдиска представляетсобой набордорожек, расположенныхс определеннымшагом. Нумерациядорожек начинаетсяс внешней стороны(нулевой дорожки).Позиция дорожки00 определяетсяв накопителес помощьюспециальногофотоэлектрическогодатчика. Самадорожка разбиваетсяна отдельныеучастки записиравной длины- секторы. Началоучастковзаписи-считыванияна дорожкахопределяетсяимеющимся надиске специальнымкруглым индекснымотверстием.Когда индексноеотверстие привращении дискапроходит подсоответствующимокном кассеты,другой фотоэлектрическийдатчик вырабатываеткороткийэлектрическийимпульс, покоторомуобнаруживаетсяпозиция началадорожки.

Позиционирующаясистема служитдля установкимагнитнойголовки точнонад определеннойдорожкой наповерхностидиска. Всеэлектрическиесхемы размещаютсяна печатнойплате, компонуемойв корпусе НГМД.Обычно в профессиональнойПЭВМ к одномуадаптеру черезинтерфейс можноподключатьдо четырехНГМД. Электронныесхемы выборкипоэтому имеютчетыре входа.Для подключенияопределенныхНГМД применяютсямикропереключатели.

2. Методзаписи данныхна гибкий магнитныйдиск

В НГМДиспользуютдва основныхметода записи:метод частотноймодуляции (ЧМ)(рис. 13.2) и методмодифицированнойЧМ. В контроллере(адаптере) НГМДданные обрабатываютсяв двоичном кодеи передаютсяв НГМД в последовательномкоде.

пособчастотноймодуляцииявляетсядвухчастотным.При записи вначале тактовогоинтервалапроизводитсяпереключениетока в МГ инаправлениенамагниченностиповерхностиизменяется.Переключениетока записиотмечает началотактов записии используетсяпри считываниидля формированиясигналовсинхронизации.Таким образом,этот способобладает свойствомсамосинхонизации.Запись «1» и«0» производитсяв серединетактовогоинтервала,причем призаписи «1» всередине тактовогоинтервалапроизводитсяинвертированиетока, а при записи«0» - нет. Присчитываниив моменты серединытактовогоинтервалаопределяютналичие сигналапроизвольнойполярности.Наличие сигналав этот моментсоответствует«1», а отсутствие- «0».

3. Форматзаписи информациина гибком магнитномдиске

Организацияразмещенияинформациина дискетепредполагаетрасположениеданных пользователявместе со служебнойинформацией,необходимойдля нумерацииотдельныхобластей, отделенияих друг от друга,для контроляинформациии т.д.

НГМД используютстандартныеформаты информациидля унификации(обобщения)НГМД и их адаптеров.Каждая дорожкана дискетеразделена насекторы. Размерсектора являетсяосновнойхарактеристикойформата и определяетнаименьшийобъем данных,который можетбыть записанодной операциейввода-вывода.Применяемыев НГМД форматыразличаютсячислом секторовна дорожке иобъемом одногосектора. Максимальноеколичествосекторов надорожке определяетсяоперационнойсистемой. Секторыотделяютсядруг от другаинтервалами,в которых информацияне записывается.Произведениечисла дорожекна количествосекторов иколичествосторон дискетыопределяетее информационнуюемкость.

Каждыйсектор (рис.13.3) включает двеобласти: полеслужебнойинформациии поле данных.Служебнаяинформациясоставляетидентификаторсектора, позволяющийотличить егоот других.

Адресныймаркер -это специальныйкод, отличающийсяот данных иуказывающийна начало сектораили поля данных.Номерголовки указываетодну из двухМГ, расположенныхна соответствующихсторонах дискеты.Номерсектора- это логическийкод сектора,который можетне совпастьс его физическимномером. Длинасекторауказываетразмер поляданных. Контрольныебайты предназначеныдля контроляошибок считывания.

Среднеевремя доступак диску в миллисекундахоцениваетсяпо следующемувыражению:

t_ср=(N-1)t₁/3+t₂, (17.1)

гдеN - число дорожекна рабочейповерхностиГМД; t₁- время перемещенияМГ с дорожкина дорожку; t₂- время успокоениясистемы позиционирования.

4. Адаптерынакопителейна гибких магнитныхдисках

АдаптерНГМД переводиткоманды, поступающиеиз ПЗУ BIOS, в электрическиесигналы, управляющиеНГМД, а такжепреобразуетпоток импульсов,считываемыхс дискеты МГ,в информацию,воспринимаемуюПЭВМ. Конструктивноэлектронноеоборудованиеадаптера можетбыть размещенона системнойплате ПЭВМ либосовмещено соборудованиемдругих адаптеровна отдельнойплате модулейрасширения.Возможнопрограммированиедлины записиданных, скоростиперехода сдорожки надорожку, временизагрузки иразгрузки МГ,а также передачаданных в режимеПДП или прерывания.

Одиниз вариантовпостроенияструктурнойсхемы адаптераНГМД приведенна рис. 13.4.

Дешифраторадреса распознаетбазовые адресапрограммнодоступныхрегистровадаптера. ДляЦП адаптер НГМДдоступен программночерез региструправленияи два портаконтроллераНГМД - регистрсостояния ирегистр данных.Значения отдельныхразрядов регистрауправленияопределяютвыбор НГМД,сброс контроллера,включениедвигателя,разрешениепрерыванияи ПДП.

сновнымфункциональнымблоком адаптераНГМД являетсяконтроллерНГМД, реализуемыйконструктивнообычно в видеБИС (интегральныемикросхемы8272 Intel, 765 NEC и др.). ДанныйконтроллеробеспечиваетуправлениеоперациямиНГМД и определяетусловия обменас центральнымпроцессором.Функциональноконтроллерподчинен ЦПи программируетсяим. В контроллереимеется регистрсостояния ирегистр данных,в которомзапоминаютсяданные, командыи параметрыо состоянииНГМД. При записирегистр данныхиспользуетсякак буфер, вкоторый побайтноподаются данныеот процессора.Контроллерпринимаетданные от регистраи преобразуетих в последовательныйкод, используемыйпри частотномметоде записи.

КонтроллерНГМД выполняетследующий наборкоманд:позиционирование,форматирование,считывание,запись, проверкасостояния НГМДи др. Каждаякоманда выполняетсяв трифазы:подготовительной,исполненияи заключительной.В подготовительнойфазе ЦПпередает контроллерубайты управления,которые включаюткод операциии параметры,необходимыедля ее исполнения.На основанииэтой информациив фазеисполненияконтроллервыполняетдействия, заданныекомандой. Взаключительнойфазе черезрегистр данныхсчитываетсясодержимоерегистровсостояния,хранящих информациюо результатевыполнениякоманды и состоянииНГМД. В ЦП передаютсяусловия завершенияоперации.

Таблица13.1

Назначениесигналов интерфейсаНГМД

Обозначениесигнала	Назначениесигнала	Направление
ИНД	Индекс/сектор	отНГМД
ВН0	Выборнакопителя0	кНГМД
ВН1	Выборнакопителя1	кНГМД
МВК	Моторвключить	кНГМД
НПШ	Направлениешага	кНМГД
ШАГ	Шаг	кНГМД
ДЗП	Данныезаписи	кНГМД
РЗП	Разрешениезаписи	кНГМД
Д00	Дорожка00	отНГМД
ДВС	Данныевоспроизведены	отНГМД
ВПВ	Выборповерхности	кНГМД
НГТ	Накопительготов	отНГМД

Схемаформированиясигналов записиработает подуправлениемконтроллераи предназначенадля предотвращенияискаженияинформациипри записи.Фазовый детектор,генератор,управляемыйнапряжением(ГУН), фильтрнижних частот(ФНЧ) и узелсинхронизацииобразуют схемуотделениясинхроимпульсов- сепаратор.При считыванииданные из НГМДпоступают насхему сепаратора,и принимаютсяконтроллером,который декодируетих и преобразуетпобайтно впараллельныйкод. Байтыбуферизуютсяв регистреданных и передаютсяв оперативнуюпамять ПЭВМ.

Управлениеобменом междуЦП и адаптеромНГМД осуществляетсясхемой сопряженияс системнойшиной. Двунаправленныйформировательданных согласуетэлектрическиепараметры шиныданных системнойи внутреннейшины адаптера.Обмен информациеймежду адаптероми ЦП происходитв двухрежимах:ПДП и прерываний.Программнаяподдержкаработы адаптераобеспечиваетсядрайвером,входящим всостав ОС.

СопряжениеинтерфейсаНГМД с адаптеромНГМД осуществляетсягибким кабелем.Все сигналыинтерфейсаНГМД имеютстандартныйТТЛ-уровень(табл. 13.1).

Вопросык лекции

1.Нарисуйтеподробную схемувзаимодействияпрограммныхи аппаратныхкомпонент иблоков ПЭВМпри выполненииопераций чтенияи записи наНГМД.

2. Запишителюбое двоичноечисло при помощиметодов ЧМ иБВН.

________________________________________________________________________________________________

Курс«Периферийныеустройства»

(лекции)

-9-

Лекция14

Накопителина жесткихмагнитныхдисках

План

1. Структуранакопителяна жесткихмагнитныхдисках.

2. Метод записиданных на жесткиймагнитный диск.

3. Формат записиинформациина жесткоммагнитномдиске.

4. Адаптернакопителейна жесткихмагнитныхдисках.

1. Структуранакопителяна жесткихмагнитныхдисках

С конструктивнойточки зренияНЖМД схожи сНГМД. ОднакоНЖМД содержатбольшее числоэлектромеханическихузлов и механическихдеталей, изолированныхв герметизированномкорпусе, и пакетмагнитныхдисков. Несколькодисков, объединенныхв пакеты, жесткозакрепляютсяна общей оси(рис. 14.1). Магнитныеголовки, объединенныев блок, приводятсяв движениедвигателем.

Рис. 14.1. Структурадисковогопакета НЖМД

Запись-считываниев НЖМД осуществляетсябесконтактнымспособом, хотяв состояниипокоя МГ находятсяна поверхностимагнитногопокрытия.

Жесткиймагнитный диск- этокруглая металлическаяпластина толщиной1,5..2мм, покрытаяферромагнитнымслоем и специальнымзащитным слоем.Для записи ичтения используютсяобе поверхностидиска. Поверхностьдиска, как идля НГМД, разбитана дорожки.Дорожки с одними тем же радиусомна всех дискахпакета образуютцилиндр.Цилиндр определяетположение всехМГ блока призаписи илисчитываниина той или инойдорожке. Цилиндрамприсваиваютсяномера соответствующихдорожек. Обычноодин секторна дорожкевмещает несколькосотен байт.Полный адрессектора в дисковомпакете состоитиз трех частей:номера цилиндра,номера МГ иномера секторана дорожке.Обычно используютпакеты с 4, 5, 8 иболее дисками,где на каждуюповерхностьдиска приходитсяпо одной МГ.

2. Методзаписи данныхна жесткиймагнитный диск

Длязаписи на ЖМДиспользуютсяметоды ЧМ,модифицированнойчастотноймодуляции (МЧМ)и RLL-метод, прикотором каждыйбайт данныхпреобразуетсяв 16-битовый код.

риметоде МЧМплотностьзаписи данныхвозрастаетвдвое по сравнениюс методом ЧМ.Для этого метода(рис. 14.2), еслизаписываемыйбит данныхявляется единицей,то стоящийперед ним биттактовогоимпульса незаписывается.Если записывается«0»,а предыдущийбит был «1»,то синхросигналтакже не записывается,как и бит данных.Но если перед«0»стоит бит «0»,то синхросигналзаписывается.

3. Форматзаписи информациина жесткоммагнитном диске

В НЖМДобычно используютсяформаты данныхс фиксированнымчислом секторовна дорожке (17,34 или 52) и с объемомданных в одномсекторе 512 или1024 байта. Секторымаркируютсямагнитныммаркером.

Конкретныйформат данныхопределяетсявнутреннейпрограммнойконфигурациейПЭВМ и техническимихарактеристикамиадаптера накопителя.Структураформата (рис.14.3) подобна структуре,применяемойв НГМД.

Началокаждого сектораобозначаетсяадресным маркером.В начале идентификатораи поля данныхзаписываютсябайты синхронизации,служащие длясинхронизациисхемы выделенияданных адаптераНЖМД. Идентификаторсектора содержитадрес дискав пакете, представленныйкодами номеровцилиндра, головкии сектора. Вотличие от НГМДв НЖМД в идентификатордополнительновводят байтысравнения ифлага. Байтсравненияпредставляетодинаковоедля каждогосектора число,с помощью которогоосуществляетсяправильностьсчитыванияидентификатора.Байт флагасодержит флаг- указательсостояниядорожки (основнаяили запасная,исправная илидефектная).

Контрольныебайты записываютсяв поле идентификатораодин раз призаписи идентификаторасектора, а вполе данных- каждый разпри каждойновой записиданных. Контрольныебайты в НЖМДпредназначеныне только дляопределения,но и для коррекцииошибок считывания.Наиболее частоиспользуютсяполиномныекорректирующиекоды; использованиеконкретныхкодов зависитот схемнойреализацииадаптера.

ПередиспользованиемНЖМД производитсяего начальноеформатирование- процедура,выполняемаяпод управлениемспециальнойпрограммы, приработе которойна дисковыйпакет записываетсяслужебнаяинформацияи проверяетсяпригодностьполей данных.

Пятьразличныхинтерваловв НЖМД используютсядля синхронизацииэлектронныхпроцессовчтения-записии управленияработы электромеханическихузлов накопителя.

В результатеначальногоформатированияопределяетсярасположениесекторов, иустанавливаютсяих логическиеномера. Посколькускорость вращениядиска оченьбольшая, дляобеспеченияминимальногочисла оборотовдиска при обращениик последовательнымсекторам, секторыс последовательныминомерами размещаютсячерез N физическихсекторов другот друга (рис.14.4).

ратностьрасположениясекторов задаетсяпри форматированиидиска. Коэффициентычередованиябывают 6:1, 3:1, и 1:1.Новейшие моделиНЖМД используюткоэффициенты1:1, а их контроллерысчитывают сдиска за одноего обращениеинформациюс целой дорожкии затем хранятее в буфернойпамяти. Призапросе избуферной памятипередаетсяинформацияуже из требуемыхсекторов.

Каждаядорожка дискаразделяетсяна одинаковоечисло секторов,поэтому секторана дорожках,которые находятсяближе к нулевойдорожке, имеютменьший размер.Для записитаких секторовиспользуютсямагнитные полябольшей интенсивности(компенсациязаписи).Число поверхностейдиска (головок),число цилиндров(дорожек) и точка,с которой начинаетсякомпенсациязаписи, являютсяпараметрамидля настройкиконтроллераНЖМД.

Среднеевремя доступак информациина НЖМД составляет

t_ср=t_n+0,5/F+t_обм, (14.1)

гдеt_n-среднее времяпозиционирования;F - скорость вращениядиска; t_обм- время обмена.Время обменазависит оттехническихсредств контроллераи типа егоинтерфейса,наличия встроенноебуферной кэш-памяти,алгоритмакодированиядисковых данныхи коэффициентачередования.

4. Адаптернакопителейна жесткихмагнитныхдисках

В НЖМДиспользуютсядва вида электронныхсхем: один дляуправлениямагнитнымиголовками,двигателеми дисками; идругой дляуправленияданными. Конструктивноэлектронноеоборудованиеадаптера НЖМД,также как иадаптера НГМД,может бытьразмещено илина системнойплате ПЭВМ, илина плате модулярасширениясовместно садаптером НГМД.

Типичныйадаптер НЖМДвыполняетследующиеосновные функциипокомандам ЦП:поддерживаеттребуемыйформат данных,размещаемыхна дисках; передаетданные в режимеПДП или программноговвода-вывода;осуществляетпоиск и проверкутребуемыхцилиндров;производитпереключениеголовок; обнаруживаети корректируетошибки в считанныхданных; организуетпоследовательностьсчитываемыхсекторов всоответствиис коэффициентомчередования;генерируетпрерывание.Если адаптериспользуетRLL-метод кодирования,то требуетсяспециальныйнакопитель,рассчитанныйна данный способкодирования.

На рис.14.5 приведенаобобщеннаяструктураадаптера НЖМД.

Программыуправлениямикропроцессоромзаписываютсяв ПЗУ. Различныепрограммыпредназначеныдля различныхопераций обмена.Адаптер НЖМДимеет собственнуюлокальнуюоперативнуюпамять, котораяразделяетсяна рабочуюобласть длямикропроцессораи буфер данныхдля храненияодного сектора.Регистры ввода-выводапредназначеныдля ввода-выводаданных, сбросаи выбора адаптера,записи состоянияи типа накопителя,разрешенияПДП и прерывания.КонтроллерПДП управляетобменом даннымимежду адаптероми НЖМД, междуадаптером иОЗУ ПЭВМ.

КомандыЦП подаютсяна адаптер врежиме программноговвода-выводав виде блока,включающегокод операции,адрес сектора,номера байтовобмена, номернакопителяи др.

Основнымикомандамиявляются командычтения, записи,форматированияи позиционирования.Для проверкисостояния НЖМДи адаптераслужат диагностическиекоманды. Командныйблок записываетсяв локальнуюпамять адаптера.

анныес системнойшины при записив НЖМД поступаютв регистрыввода-выводапобайтно ипреобразуютсяв вид для записив секторныйбуфер. ПодуправлениемконтроллераПДП или программногорежима ввода-выводаданные поступаютна сериализатор,преобразующийбайты в последовательныйкод. Кодер кодируетданные по методуМЧМ. Одновременнос преобразованиемданные поступаютна блок контроляи коррекции.Затем данныеи контрольныебайты записываютсяв НЖМД.

Причтении данныхсепараторотделяетсинхроимпульсы,данные декодируютсяи преобразуютсядесериализаторомв параллельныйкод. Под управлениемконтроллераПДП байты данныхпомещаютсяв ОЗУ и черезрегистры ввода-выводавыдаются насистемную шину.Адаптер выдаетЦП параметрывыполнениякоманды.

Недостаткомтакой структурыадаптера являетсято, что параметрыдиска записаныв его ПЗУ, поэтомуадаптер можетработать толькос определенноймоделью диска.В других конструкцияхНЖМД дисковыепараметрыхранятся насамом дискеи загружаютсяв адаптер приработе.

Вопросык лекции

1.Почему среднеевремя доступак НГМД и НЖМДзависит отразных величин?

2. Запишителюбое двоичноечисло при помощиметода МЧМ.

3. Нарисуйтеподробную схемувзаимодействияпрограммныхи аппаратныхкомпонент иблоков ПЭВМпри выполненииопераций чтенияи записи наНЖМД.

________________________________________________________________________________________________

Курс«Периферийныеустройства»

(лекции)

-8-

Лекция15

Накопителина оптическихдисках

План

1. Основыоптическойзаписи.

2. Формат записиинформациина оптическомдиске.

3. Обобщеннаяструктуранакопителяна оптическихдисках.

1. Основыоптическойзаписи

Методыоптическойзаписи на поверхностиподвижногоносителя основанына способностинекоторыхматериаловизменятьотражательныесвойства научастках, которыеподвергалисьтепловому,магнитномуили комбинированномувоздействию.

сновойоптическогодиска служиткруглая подложкаиз полимеров,обладающаямеханическойпрочностью.В качествеинформационногоносителя используютсямногослойныепленочныеструктуры. Наисходную подложкунаноситсяотражающийслой, затемслой диэлектрика,информационныйслой и защитноепокрытие.

Первоначальнодля оптическойзаписи использовалосьсвойство лазерноголуча прожигатьотверстия втонком слоеметалла (рис.15.1, а, б). Прожженноеотверстие (пит)является оптическимотпечатком,который можетбыть распознанс помощью лазерноголуча считыванияменьшей мощностии фотодетектора.В зависимостиот интенсивностиотраженноголуча формируетсяэлектрическийсигнал, соответствующийналичию илиотсутствиюотпечатка.Такой способзаписи используетсядля НОД с однократнойзаписью.

Возможностьмногократнойзаписи обеспечиваетсяпри использованиимагнитооптическихносителей. Подвоздействиеммагнитногополя нагретыеучастки изменяютсостояниенамагниченности(рис. 15.1, в, г).Длясчитыванияна поверхностьносителя направляетсяпучок поляризованногосвета. Намагниченныеучастки изменяютугол поляризации,по которомуи воспринимаются.Стирание информациипроисходитаналогичнозаписи, однаконаправлениемагнитногополя при этомдолжно бытьпротивоположным.

Поспособу организациизаписи-считыванияНОД могут бытьразделены натри большихкласса:

1)постоянныеНОД, с которыхвозможно толькосчитываниеинформации(CD ROM);

2)НОД с однократнойзаписью имногократнымсчитыванием.Запись на такиеНОД может сделатьпользователь,но только одинраз;

3)НОД, допускающиестирание имногократнуюперезапись.

ДляНОД применяютсянесколькоспособов записи:абляционный- путем прожиганияотверстий внепрозрачнойсреде носителя;с помощью локальногоизменениякоэффициентаотражениясреды; переводзапоминающейсреды из кристаллическойфазы в аморфнуюи наоборот;трансформированиемагнитногосостоянияструктуры;изменение цветалокальнойобласти. Первыедва способаиспользуютсяпри «не стираемой»записи, а остальные- для многократнойперезаписиинформациина НОД.

Длякодированияинформациииспользуютсяспециальныекоды, например,Рида - Соломона.Для записииспользуетсяметод БВН.

В отличиеот НМД оптическийдиск, имеетвсего однуфизическуюдорожку в форменепрерывнойспирали, идущейот внутреннегодиаметра кнаружному. Нофизическаядорожка можетбыть разбитана несколькологических.Если для НМДвозможна записьна разные дорожки,то запись наоптическиедиски происходитпоследовательнопо спирали.

Всемагнитные дискивращаются спостояннымчислом оборотовв минуту, т.е.с неизменнойугловой скоростью.Оптическийдиск вращаетсяс переменнойугловой скоростью,чтобы обеспечитьпостояннуюлинейную скоростьпри чтении.Чтение внутреннихсекторовосуществляетсяс увеличенным,а наружных –с уменьшеннымчислом оборотов.Поэтому у НОДнизкая скоростьдоступа к данным.

ОбычноНОД подсоединяютсячерез параллельныеинтерфейсыSCSI и IDE.

2. Форматзаписи информациина оптическомдиске

Базовыйформат дляцифровыхкомпакт-дисковво многом схожс форматомНГМД. В НОД такжеимеется нулеваялогическаядорожка, котораяначинаетсясо служебнойинформации,необходимойдля синхронизациимежду приводоми диском. Затемрасположенасистемнаяобласть, котораясодержит сведенияи структуредиска. Существенноеразличие вструктуреCD-ROM и НГМД заключаетсяв том, что наCD-ROM системнаяобласть содержитпрямой адресфайлов в поддиректориях,а не смещение.

седанные на оптическомдиске разбитына блоки по2352 байта (рис.15.2, а).

Каждыйблок содержитсинхро-кодыдля контроляскорости вращениядиска, заголовок,поле данныхи коды,исправляющиеошибки.Данные в заголовкеопределяютрасположениеблока на спиральнойдорожке ипредставляютего физическийадрес. Форматданных дляCD-ROM совместимс форматомкомпакт-диска,поэтому единицыизмерения взятыкак для проигрываниязвука: это минутаи секунда звучанияи номер блокав секунде. Засекунду должнобыть считано75 блоков данных.

Режимзадает типзаписаннойинформации.Режим1 указываетна то, что в поледанных блоказаписан цифровойфрагмент звукозаписи;режим2 – вблоке записаныкомпьютерныеданные; режимCD-ROM-1 указываетна полную записьданных; режимCD-ROM-2 – назапись сжатыхзвуковых данныхи видео изображений.

Еслиданные в блокезаписаны безсжатия, то блокимеет формат,показанныйна рисунке15.2, б. Для восстановленияиспорченнойинформациив последние288 байт блоказаписываютсякоды обнаруженияошибок (EDС)и коды исправленияошибок (EСС).Эти данные вЭВМ не передаются.Для записисжатых данныхиспользуютформат безкорректирующихкодов (рис. 15.2, в),что позволяетна 14% увеличитьобъем записываемыхданных.

3. Обобщеннаяструктуранакопителяна оптическихдисках

Упрощеннаяструктура НОДприведена нарис. 15.3.

Призаписи лучполупроводниковоголазерногодиода, управляемогоданными записичерез коллиматор,зеркало и линзуобъективапрожигаетотверстие винформационномслое диска.Наличие отверстиясоответствуетзаписи «1». Присчитываниинеуправляемыйлазерный луч(получаемыйиз делителялуча) выходитна рабочуюповерхностьчерез другойделитель луча,зеркало и объектив.В режиме чтениязеркало перемещается.Отраженныйсвет черезделитель лучапопадает нафотодиод, сигналс которогообрабатываетсяэлектроннымисхемами считывания.Точная установкалуча на дорожкеобеспечиваетсясервоблокомдорожки,фокусировка- сервоблокомфокусировки,а постоянноечисло оборотов- сервоблокомвращения диска.

Ксущественнымнедостаткамнакопителейна оптическихдисках относятсясравнительнобольшое времядоступа к информациипо сравнениюс НЖМД, низкаяскорость передачиданных, наличиемеханическихи оптическихузлов, не выдерживающихударов и вибрации.

________________________________________________________________________________________________

Курс«Периферийныеустройства»

(лекции)

-6-

Лекция16

Видеомониторыи видеоадаптеры

План

1. Типывидеосистем.

2. Видеоадаптеры.

2.1. Графическиевидеоадаптерыточечные.

2.2. Графическиевидеоадаптерывекторные.

2.3. Графическиевидеоадаптерырастровые.

3. Способыформированияцветного изображения.

1. Типывидеосистем

В общемслучае видеосистема(дисплей) ПЭВМвключает монитор,преобразующийсигналы от ПЭВМв изображениена экране втемпе их поступлениябез запоминанияи обработки;и видеоконтроллердля обработки,передачи данныхи согласованияинтерфейсов.В ПЭВМ применяютсятри основныхтипапостроениявидеосистемы:

1) ееэлектронныесхемы без мониторавходят в составсистемногоблока ПЭВМ ив качествеэкранного ОЗУиспользуютосновную памятьПЭВМ;

2)ее электронныесхемы без мониторавходят в составсистемногоблока ПЭВМ иимеют отдельноеэкранное ОЗУ;

3)все ее электронныесхемы и мониторвыполняютсяв виде отдельногоустройства,связанногос ПЭВМ стандартныминтерфейсом.

Возможнытакже различныекомбинациитипов.

ДисплеиПЭВМ классифицируютсяпо ряду признаков:

 повиду отображаемойинформации:алфавитно-цифровые,графическиеи комбинированные;

 поспособу формированияизображенияграфическиедисплеи ПЭВМделятся навекторные ирастровые;

 поспособу поддержанияизображения:с регенерациейи запоминаниемизображенияв специальныхэлектронныхтрубках;

 поспособу сопряжениямонитора садаптером:композитныеи RGB-дисплеи. ВRGB-дисплеях сигналыяркости основныхцветов передаютсяот адаптерак монитору потрем отдельнымпроводам, а вкомпозитныхвсе три сигналаяркости подаютсяв монитор поодному проводу,где затемразделяются;

 повиду управления:цифровые ианалоговые.В цифровыхдисплеях поодному сигналувключаетсятолько одинуровень яркости.В аналоговыхдисплеях яркостьи цвет любойточки пропорциональныуровню напряженияуправляющегоаналоговогосигнала. Аналоговыедисплеи поддерживаютбольше цветов,чем цифровые.

В ПЭВМобычно применяютсярастровыемонохромныеили цветныевидеомониторына электронно-лучевыхтрубках (ЭЛТ).По виду сигналауправлениятакие видеомониторы,как CGA и EGA, являютсяцифровыми, авидеомониторыPGA, VGA, SVGA - аналоговыми.Цветной универсальныймонитор Multisync можетнастраиватьсяна цифровойили аналоговыйсигнал управления.

2. Видеоадаптеры

Видеоадаптеры(дисплейныепроцессоры)представляютсобой специализированныепроцессорыс собственнымнабором команд,специфическимиформатамиданных и собственнымсчетчикомкоманд.

Алфавитно-цифровыевидеоадаптеры,так же как ипринтеры, имеютПЗУ для храненияпостоянногознакогенератораи ОЗУ - для переменногознакогенератора.Страница текста,отображаемаяна экране,записываетсяв видеопамятьи координатыкаждого символаоднозначноопределяютсяего местонахождениемв видеопамяти.

Графическиевидеоадаптерыразделяютсяна адаптерыс произвольнымсканированиеми адаптерырастровоготипа.

2.1. Графическиевидеоадаптерыточечные

Графическиевидеоадаптерыс произвольнымсканированиемразделяютсяна точечныеи векторные.В точечныхдисплеях любаякартинка рисуетсяиз отдельныхточек, координатыкоторых впроизвольномпорядке задаютсяв графическомфайле. В векторныхдисплеях изображениесоставляетсяиз отдельныхвекторов, которыезадаются вфайле координатаминачальных иконечных точек.

Дляуправленияточечнымидисплеямииспользуютсядва типакоманд:команда рисованияточки и командабезусловногоперехода. Привыполнениикаждой командырисования лучперемещаетсяот точки к точкепо указаннымв командекоординатам,активизируяих. Последнейкомандой графическогофайла являетсякоманда безусловногоперехода наначало файла,что обеспечиваетрегенерациюизображения.При такой организациивычисленийадаптер содержитдва ЦАП, которыепреобразуетцифровые координатыточки в напряженияотклонениялуча ЭЛТ покоординатамX и Y (рис. 16.1).

сновнымнедостаткомточечных графическихадаптеровявляется то,что координатыкаждой точкивычисляютсяЦП. От этогонедостаткасвободны векторныеадаптеры.

2.2. Графическиевидеоадаптерывекторные

В векторныхграфическихадаптерахкомандыначальной иконечной точкивектора вычисляютсяЦП, а рисованиевекторовосуществляетсяавтоматическиспециальнымблоком - генераторомвекторов илигенераторомнапряженияразвертки (рис.16.2).

Длязадания координатначала и концавектора используютсяабсолютныеили относительныекоординаты.Если используютсяотносительныекоординаты,то в структуреадаптера добавляетсясумматор длясложения базовыхкоординат сотносительными.В таких адаптерахиспользуютсякомандыследующеготипа: загрузитьХ; загрузитьY и переместитьлуч в позициюХ, Y; загрузитьY, переместитьлуч в позициюX,Y и нарисоватьточку; загрузитьY и нарисоватьвектор от начальнойдо конечнойточки; безусловныйпереход.

слиадаптер работаетв абсолютныхкоординатах,то ЦП сильнозагружен врежиме редактированияили перемещенияизображения.

2.3. Графическиевидеоадаптерырастровые

Графическиеадаптеры растровоготипа позволяютсоздаватьизображениес непрерывнымуровнем яркости,т.к. вывод содержимоговидео-ЗУ наэкран всегдапроизводитсяс постояннойчастотой иобеспечиваетсяодинаковаяяркость длявекторов разнойдлины. Адаптерытакого типаобладают отсутствиеммерцания,возможностьюналоженияизображенияиз видео-ЗУ настандартноетелевизионноеизображениеот телекамерыили видеомагнитофона.

В растровыхадаптерахкаждая точкаизображениявычисляетсяи записываетсяв видео-ЗУ. ТакоеЗУ должно бытьбольшой емкостии его быстродействиедолжно бытьсоизмеримос работой монитора.Графическийфайл преобразуетсясначала в векторный,где осуществляетсямасштабированиеи перемещениеизображения,а затем векторныйфайл преобразуетсяв растровуюформу, где каждыйвектор заменяетсяпоследовательностьюпиксель, записываемыхв видео-ЗУ. Сучетом этогов структурерастровыхадаптероввыделяют двапроцессора- векторный ирастровый (рис.16.3).

астровыйграфическийпроцессорработает подуправлениемсвоейпрограммы.Входными даннымидля него являютсякоманды, записанныев ОЗУ ДФ и описывающиевектора, которыепрограммнымили аппаратнымспособом должныбыть преобразованыв пикселы.Вычисленныеточки векторамежду его начальнымии конечнымиточками записываютсяв видео-ЗУ.Видеоконтроллерформируетвидеосигналына видеомонитор,для чего производитсяпериодическийопрос ячееквидео-ЗУ. РГПвыполняет такжекодированиеизображения- вычислениепиксель пополученномусписку векторов,определяющемунебольшую частьизображения(окно), котороеможно перемещатьпо экрану. Всвязи с этимРГП должныобладать большимбыстродействием.

Длячерно-белыхадаптеров длязадания атрибутовпиксела отводитсяодин бит, еслион установлен,то это означаетчерный цвет.

Длясоздания тоновогочерно-белогоизображениявидео-ЗУ имеетнесколькоплоскостей,число которыхопределяетсяколичествомградаций черно-белоготона. Разрядностьзадания атрибутовпикселя n и числоградаций тонаL связаны междусобой соотношениемn=log₂L.Считанный извидео-ЗУ двоичныйкод пикселяпреобразуетсяна ЦАП в напряжение,соответствующеетребуемомууровню тона.

3. Способыформированияцветного изображения

Цветныеизображениямогутбыть полученыдвумя способами.Первыйспособ основываетсяна первичнойформе изображенияв графическомфайле с постояннозаданным цветом.В ячейки видео-ЗУзаписываютсявсе атрибутыцвета, например,красный (R), синий(B) и зеленый (G)цвет. Затемдвоичные кодыинтенсивностикаждого цветапреобразуютсяЦАП в уровнинапряжения(рис. 16.4, а). Дляпростого изображениядостаточноиметь три слояатрибутовпиксела. Цветизображенияможно поменять,только изменивграфическийфайл.

торойспособпозволяетвыводить цветныеизображенияс изменяемымцветом. В составвидеоконтроллеравводится специальноеЗУ, в которомзаписываетсятаблица цветов(рис. 16.4, б). Каждыйпиксель содержитадрес этойтаблицы. Меняяадреса таблицыцветов можноизменить цветизображения.

Вопросык лекции

1.От каких характеристикзависит форматдисплейнойкоманды: длячерно-белыхтоновых графическихадаптеров; дляграфическихадаптеров свозможностьюформированияцветных изображенийпо первому ивторому способу?

2. Нарисуйтеподробную схемувзаимодействияпрограммныхи аппаратныхкомпонент иблоков ПЭВМпри отображенииинформации:а) на алфавитно-цифровоммониторе спостояннымзнакогенератором,б) на графическоммониторе спроизвольнымсканированиемточечного; в)векторноготипа и г) растровоготипа.

________________________________________________________________________________________________

Курс«Периферийныеустройства»

(лекции)

-8-

Лекция17

Устройстваи системыввода-вывода

текстовойи графическойинформации

Принципкодированиятекстовойинформации

План

1. Кодированиетекстовойинформациив ЭВМ.

2. Ручной вводтекстовойинформациис клавиатуры.

1. Кодированиетекстовойинформациив ЭВМ

Текстоваяинформацияпредставляетсяпоследовательностьюалфавитно-цифровыхсимволов, каждыйиз которыхопределённымобразом кодируется.Существуютчетыре основныхпринципа кодированиясимволов.

1.Символы кодируютсяв виде последовательностидвоичных цифр.Количестворазрядов наодин символопределяетсяпо формуле

, (17.1)

гдеS - множествовсех символов,используемыхдля кодированиятекста; H_Х(S)- энтропияпо Хартли(меранеопределённости).Эта величинахарактеризуетколичествоинформациив каком-либосообщении.

; (17.2)

Этаэнтропия обладаетсвойствомадитивности,т.е.

.Например, кодсимвола складываетсяиз буквенногообозначенияи цифровогоX={A, B, C, D}, Y={1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, …, 16}; тогда

Большинствокодировокиспользуютодин байт длякодированиясимволов.

2.Символы, относящиесяк одной группепо каким-либопризнакамжелательнокодироватьв виде односвязногомножества водномерномпространствекодов (рис. 17.1).

ис.17.1. Одномерноепространствокодов символов

3.Коды символовдолжны отражатьпорядок следованиябукв в алфавите.

4.Желательно,чтобы преобразованиестрочных буквв прописныеи обратно сводилоськ прибавлениюили вычитаниюнекоторойконстанты илик гашению/записинекоторых бит.

Принцип2 и 4 не всегдасоблюдаются.

Длякодированиясимволов вкачестве внутреннегокода ЭВМ наиболеечасто используетсядвоичный кодобработкиинформации(ДКОИ), построенныйна основемеждународногокода EBCDIC.

Наиболеечасто символыв тексте в пределахинформационныхблоков встречаютсяс различнойвероятностью,что позволяетсократитьзатраты разрядовна кодирование.Для этого количествоинформациирассчитываетсяпри помощиэнтропиипо ШеннонуH_S(X),и в общем случаеHS(S)

,(17.3)

гдеN – мощностьмножестваX(N=|X|); P_i– вероятностьпоступлениясобытий (встречаемостьсимволов втексте);

Еслисобытия равновероятны,то P_i= 1/N =>

.(17.4)

Свойстваэнтропиипо Шеннону:

а) онавсегда положительна;

б) онамаксимальна,т.е. равна энтропиипо Хартли, когдасобытия равновероятны;

в) длянезависимыхсобытий измножеств X и Y,энтропия произведенияX и Y равна суммеотдельныхэнтропий

H_S(XY)=H_S(X)+H_S(Y).

Энтропияпо Шеннону иэнтропия поХартли такжеиспользуютсядля теоретическогоанализа каналовпередачи информации.

Разобьеммножествосимволов S наmподмножеств(

),в которых символывстречаютсяс равной вероятностью.

,(17.5)

гдер_i– вероятностьвстретитьсимвол, принадлежащийподмножествуS_i.

Количествобит для кодированияодного символаопределяетсякак

. (17.6)

Экономияв разрядах наодин символпроявляется,когда n1bit,тогда для кодированияиспользуютn₁разряд, а дляпереключенияс одной группысимволов надругие используютспециальныекоды, которыевключаютсяв каждую группу.Таким кодомявляетсямеждународныйтелеграфныйкод (МТК-2, МТК-5),который используетсяв системахсвязи и телеобработки.

Еслиусловие

, (12.7)

где - средняя длинаинформационногоблока, содержащегосимволы изодной группы;выполняется,то кодированиесчитаетсяэффективным.

2. Ручнойввод текстовойинформациис клавиатуры

Клавиатурымогут характеризоваться:

1)эксплуатационнымихарактеристиками:

а) количествотипов клавиш;

б) количествоклавиш каждоготипа;

в) расположениеклавиш. Порасположениюклавиш наибольшеераспространениеполучила клавиатураQWERTY, однако, возможныи другие вариантырасположениясимволов клавиатуры(Дворака и Делея);

2)механическимихарактеристиками,основной изкоторых являетсяфункция упругостиклавиш.

По способуобнаружениянажатия клавишвыделяют тритипа клавиатур:

1) с гальваническимконтактом илис открытым (негерметичнымконтактом). Дляних характернанизкая стоимостьи малое времянаработки наотказ;

2)с магнитнымпринципомобнаружения(на основемагниточувствительныхи проводниковыхструктур). Дляних характернабольшая стоимость,но очень высокаянадёжность;

3)с ёмкостнымпринципомобнаружениянажатия. Дляних характернавысокая износостойкость,низкая надёжностьи сложностьнастройки.

Принципкодированияклавиш клавиатурыне зависит откодированиясимволов. ВсистемноеустройствоПЭВМ посылаетсяне код символа,которомусоответствуетданная клавиша,а позиционныйкод клавиши.Переход к кодусимвола осуществляетсяспециальнойсхемой управленияклавиатурой,которую можноперепрограммировать.

лавиатуравключает в себясовокупностьключей клавиши схемы управлениядля формированиякода при замыканииключа, исключениянеоднозначностикодированияиз-за “дребезга”контактов ивыполнениядругих управляющихфункций. Клавиатурапроектируетсякак конечныйавтомат (рис.17.2)

ешифраторпоследовательноопрашиваетсостояниеключей, расположенныхс столбцах Xматрицы клавиатуры.Если какая-либоклавиша нажата,то сигнал череззамкнутыйконтакт поступаетна соответствующуюгоризонтальнуюшину Y и черезселектор (регистр)поступает навход ПЛМ. Сигналыс дешифратораи селектораобразуют адресныйвход ПЛМ, в ячейкахкоторой записаныкоды символов(их младшиеразряды). Кодсимвола записываетсяв выходнойрегистр. Старшиеразряды кодаопределяютсясодержимымспециальногорегистра, изменяющегосвоё значениетолько принажатии клавишиизменениярегистров(Shift, Alt и др.).

Проблема“дребезгов”клавиатурырешаетсяиспользованиемвместо ПЛМмикропроцессора.Вертикальныеи горизонтальныешины матрицыконтактовподключаются,соответственно,к портам выводаи ввода (Пвыв)и (Пвв), для передачив ЭВМ сформированногокода символаиспользуетсявторой портвывода микропроцессора(см. рис. 17.3).

Дляустранения“дребезгов”используетсянакоплениевеса нажатойклавиши занесколькоциклов опроса,образующихпериод опроса.Если в периодопроса координатыклавиши несовпали, тоинициируетсясброс счётчикавеса и начинаетсяновый периодопроса.

Вопросык лекции

1.Проверитьэффектностькодированиясимволом кодомКОИ-7, в котором|S|=128, все символыразбиты на 8групп m=8 с равнойвероятностьювстречаемостисимволов вгруппе. Определить,сколько разрядовв этом кодеотводится подспециальныекоды переключениямежду группами.

________________________________________________________________________________________________

Курс«Периферийныеустройства»

(лекции)

-6-

Лекция18

Устройстваввода-выводатекстовойинформации

спромежуточногоносителя

План

1. Читающиеавтоматы.

2. Сканеры.

3. Алгоритмыконтрастирования.

4. Алгоритмсканированияинформации.

4.1. Метод идентификацииконтуров.

4.2. Распознаваниесимволов аппаратнымиструктурамис помощью нейронныхсетей.

5. Интерфейсычитающих устройств.

На всехспециальныхносителяхтекстоваяинформацияхраниться вдвоичной форме,понятной ЭВМ.Однако существуютустройстваавтоматическоговвода, так называемыечитающие автоматы(ЧА), предназначенныедля ввода текстовойинформациис первичногодокумента.

1. Читающиеавтоматы

Припроектированиичитающегоавтоматабольшое значениеимеет выбортипов распознаваемыхшрифтов. Кромеобычных шрифтов(рукописныхили машинописных)существуютспециальныешрифты:

 кодированные- на основекомбинацииточек и штриховразличноготона и ширины(для идентификацииизделий);

 стилизованные- изображениесимвола специальноискажено сцелью приданиякаждому символууникальногоинтегральногосвойства. ПримеромЧА, использующихстилизованныешрифты, могутслужить магнитныеЧА 1259 и 1419 фирмыIBM, обеспечивающихсчитываниеинформациипри обработкебанковскихдокументовсо скоростьюдо 1600 документовв минуту (объёмалфавита 14 символовв коде EI3B);

 нормализованныедля заполненияот руки символовпо выделеннымпозициями, какшрифты индексовна конвертах.

ВсеЧА разделяютна оптические(ОЧА) и магнитные(МЧА). Магнитныечитающие автоматыориентированына чтениестилизованныхшрифтов, нанесённыхна носительпри помощиспециальныхмагнитныхчернил, которыеимеют добавки,придающиечерниламферромагнитныесвойства. Длятаких ЧА существуеттаблица стилизованныхшрифтов дляразличных типовсчитывания.Считывающаямагнитнаяголовка (МГ) поширине превышаетвысоту символаи с постояннойскоростьюперемещаетсявдоль строки(рис. 18.1).

АмплитудаАсигнала навыходе МГпропорциональнаплощади магнитныхчернил, находящихсяпод головкойв каждый момент,т.е. суммарнойширине всехгоризонтальныхотрезков визображениисимвола длятекущего положенияХголовки относительноизображения.Полученныйсигнал преобразуетсяв цифровуюформу и каждомуизображениюсимвола ставитсяв соответствиефиксированноеколичествочисел.

ОптическиеЧАразделяютсяна специализированныеи общего назначения.СпециализированныеОЧАпредназначеныдля ввода толькотекстовойинформациис бумажногоносителя. Онипозволяютсчитыватьинформациюс формата А4,написанногошрифтом РОСАс вероятностьюошибки 0,5% прискорости 300знак/сек.Читающий автоматEC 6037 позволяетсчитывать сформата А3 и А4с шрифтом пишущихмашинок свероятностьюошибки 0,1%. ОЧАобщего назначениястроятся набазе сканеров,для которыхиспользуетсяспециальноематематическоеобеспечениедля распознаванияизображенийAI-READER.

2. Сканеры

ручные и автоматическиесканеры строятсяпо принципусканированиябумажногоносителя отрезкомаппаратуры.Обязательнымикомпонентамисканеровявляются рабочийэлемент считывания,система закрепленияили перемещениявводимогодокумента,контроллери программныесредства.

Принципработы сканеровподобен принципуработы печатающихустройств (рис.18.2).

В большинствеслучаев источниксвета (светодиодыили лазер) освещаетрабочее полевводимогодокумента.Чувствительныйк свету рабочийэлемент двигаетсявдоль изображенияили изображениедвигаетсяотносительногонего. Этот элементза счёт отражённогосвета считываетфрагментыизображения,которые затемраспознаютсяПЭВМ и преобразуютсяв файл. Датчикина приборахс заряднойсвязью (ПЗС)преобразуютоптическоеизображениев электрическийсигнал с разрешающейспособностью10 … 30 точек/мм ивыше.

азделяюттри основныхэтапаавтоматическогочтения ОЧА:

1. Осмотри восприятиеизображения,в процессекоторых вырабатываетсяэлектрическийсигнал, соответствующийграфическомуначертаниювводимогосимвола.

1.1. Захватдокумента,отделение отдругих.

1.2. Перемещениедокумента впозицию осмотра.

1.3. Выравнивание.

1.4. Дискретизацияизображения- разбиение напикселы и присвоениеим кодов.

2.Выделениесущественныхпризнаков исоставлениеописаниявоспринимаемогоизображениясимвола.

2.1. Контрастирование.

2.2. Отделениестрок.

2.3. Подводк строке.

3.Распознаваниесимволов.

Качествовыполнениядвух последнихэтапов во многомзависит отпрограммногообеспеченияЧА. Ниже подробнеерассмотримспособы реализациивыделенныхфункций этихэтапов.

3. Алгоритмыконтрастирования

акпри повышенной,так и при пониженнойконтрастностивосприятиеизображенияосложняется.Поэтому приповышеннойконтрастностииспользуетсяновая оцифровка,т.е. изображениевводится повторно,а при пониженнойконтрастностиеё повышают,используяразличныеметоды.

Методточечныхпреобразованийоснован на“растягивании”уровня яркостипо всему диапазону,используяфункцию преобразования(рис. 18.3).

Функцияпреобразованияможет иметьболее сложныйвид. Такой методне всегда даётположительныйэффект, т.к.используетинформациютолько об однойточке.

етодылокальныхоператоров.При использованииданного методановое значениеяркости вычисляетсяне только наоснове старогозначения, нои с использованиемзначений яркостирядом лежащихточек. Самыйпростейшийметод из этойгруппы - этофильтрГаусса.Он используетмаску типаквадратнойматрицы степени3 (рис. 18.4, а) с весамипикселей (рис.18.4, б), сумма которыхравна 16. Новоезначение яркостипикселя Ропределяетсяпо формуле

(18.1)

Такаямаска удобнапри программнойи аппаратнойреализации(рис. 18.5).

Длянепосредственнойреализацииэтого методаиспользуетсядвойной объёмпамяти дляхранения исходногополя и поля срезультатомобработки. Этоявляется неудобным.Поэтому новоезначение яркостипикселей сдвигаетсяв направлении,откуда начатаобработка наполовину окнав пикселях.После завершенияобработкивыполняетсясдвиг обратно.При этом информациятеряется толькопо границамокна.

ильтрГаусса используетсядля “размазывания”изображенияс целью снижениядифракционныхи прочих краевыхшумов и с цельюснижения зернистостиизображения.

Многиеалгоритмыраспознаваниясимволов работаютна основераспознаванияконтуров, поэтомуконтура выделяютфильтромСобеля.Этот фильтрреализуетсяпосредствомиспользованиямасок 2-х типов(рис. 18.6). Яркостьпикселя определяетсяпо следующейформуле

X=(F+2G+H)-(A+2B+C)

Y=(C+2E+H)-(A+2D+F); (18.2)

ромерассмотренныхвыше фильтровиспользуетсяещё и вскрывающийфильтр(рис. 18.7). Он реализуетсяв виде двухлокальныхоператоров.Первый из нихвызывает эрозию- снятие одногослоя пикселас объекта, авторой вызываетнаращиваниеслоя пикселей:

ЭН-1 - вскрывающийоператор уровня1;

ЭЭНН-2 -вскрывающийоператор уровня2.

-эррозия (Э);

- наращивание(Н) (18.3)

Чем глубжеуровень вскрытия,тем чище изображение,но если глубинавскрытия соизмеримас шириной символа,то символ можетпотеряться.

4. Алгоритмсканированияинформации

ОпределениестрокреализуетсяпрограммойраспознаванияинформацииAI-READER совместнос аппаратуройScanJet.

Исходнымиданными дляпроцедурыотделения строкявляются: исходныйчитаемый текст,размер букви средний размерв пикселяхинтерваловмежбуквенныхи межстрочных.Алгоритмэтой процедурысостоит из 4-хосновных этапов:

1.Подвод к первойстроке текста.

1.1. Сканированиедокумента,начиная с верхнейграницы горизонтальнойапертурой(линией) параллельноверхней границелиста до встречипервого засвеченногопикселя.

1.2. Сканированиестроки вертикальнойапертурой,размер которойопределяетсякак среднийразмер буквыплюс половинаразмера интерваламежду строками.Сканированиеначинаетсяс правой границыдокумента допервого засвеченногопикселя.

1.3. Сканированиебуквы линейновертикальнойапертурой тойже высоты, врезультатекоторого формируетсяматрица образабуквы в пикселях[p_ij].

2.Проверка истинностивыражения

, (18.4)

где[pij] - матрица изображенияпросканированногосимвола;

- матрица изображенияэталонногок-го символа;- функция, котораяопределяетсякак

- функция совпадения;Р - порог принятиярешения (80% отколичествапикселей вэталоне).

Чем большесовпаденийтем ближе символк этому эталону,если порог Рпревышен, тоэто означает,что символраспознан. Еслисимвол не находитсвоего эталона,то возможнодва варианта:

а) врежиме обученияпрограммазапрашивает,что это за символи запоминаетего как эталонныйдля данногокода;

)в рабочем режимепрограммавыдаёт отказраспознаванияи символ заменяетсяна символ а .

3. Переходк следующемусимволу к п.1.2.

4.Переход к следующейстроке к п. 1.1.

Недостаткомданного алгоритмаявляется то,что формируетсякод для переходана следующуюстраницу.

Дляраспознаваниясимволов существуютспециальныеметоды:

 методсравнения;

 корреляционныйметод. Он похожна рассмотренныйвыше метод, новычисляетсяне функциясравнения, акоэффициенткорреляции,который сравниваетсяс порогом Р;

 методраспознаванияпо вторичнымпризнакам длястилизованныхшрифтов;

 методыраспознавания,основанныена нейросетях.

4.1. Методидентификацииконтуров

Этотметод основанна выделенииконтура поалгоритмуФримена с последующейидентификациейконтура. Цепнойкод Фрименапозволяетпредставитьконтур произвольнойформы в видепоследовательностикоротких векторов(рис. 18.8).

лгоритмФримена.

Поискначальнойточки. Сканированиевертикальнойлинейной апертуройи развёрткагоризонтальнойапертуры допервого засвеченногопиксела.
Проверкавсех примыкающихпикселей понаправлению,начиная с вектора0, до тех пор, покане встретитсязасвеченныйпиксель. Поворотот исходнойточки осуществляетсяпо возрастаниюномеров векторов.Если примыкающихпикселей ненайдено, тосчитается, чтообнаруженотдельныйпиксель и егоне рассматривают.
Направлениепоследнеговектора отмечаетсякак текущее,а его конецсчитаетсятекущим пикселем.
Повторяютсканированиепримыкающихпикселей дообнаружениязасветки, начинаяот пикселя,расположенногослева от текущеговектора почасовой стрелке.
Алгоритмповторяют сп. 3 до тех пор,пока положениетекущего пикселяне совпадётс начальным.

Недостаткомэтого методаявляется то,что распознаваниесимвола зависитот его поворота.

Есливектор кодироватькомплекснымчислом: 0 - (1); 1 - (-1+i) …,то на вращениеконтура можноне обращатьвнимание.

Условиераспознавания:

, (18.5)

где

- кодированныйконтур;

- эталонныйконтур; р - порог(0,8-0,9).

4.2. Распознаваниесимволов аппаратными

структурамис помощью нейросетей

ейросеть(НС) - это большой,сильно взаимосвязанныйансамбль простыхэлементов.Элементы обычнопредставляютсобой двухуровневыеприборы, которыепереключаютсяиз одного состоянияв другое когдасигнал на входепревышаетпороговоезначение. Такоенаправлениеразвиваетсяс 1943 года. Слойпринятия решения(рис. 18.9) состоитиз нейронов.В нейросетяхиспользуютсядве структуры(рис. 18.10). во второйструктуревведены обратныесвязи. Цепочка2-3-5-6-2 реализуетвозвратнуюактивность.

Динамикаповедения сети.В каждый моментвремени i-й узелможет находитсяв одном из двухсостояний

.Переход изсостояния +1 в-1 определяетсяпороговымпотенциалом

, (18.6)

где N-количествонейронов, скоторыми связанi-й элемент; J_ij- вес связи (силасвязи); i- порог срабатыванияi-го нейрона.На осях откладываетсяактивностьнейронов (у нас3 нейрона) (рис.18.11).

В первойструктурераспознаваниезаключаетсяв точке 2. У каждойбуквы имеетсясвоя точка. Вовторой структурераспознаваниезаканчиваетсяв жгуте (аттракторе).У каждой буквыимеется свойаттрактор.Вторая структурапозволяетзапоминатьбольшее количествоинформациис меньшимиаппаратнымизатратами засчёт существованиявозрастнойактивностив сети.

процессераспознаваниясимволовв систему поступаетчастичнаяинформация- искажённыйобраз символа.Это приводитсистему в начальноесостояние.Наличие “достаточной”информациидля данногораспознаванияозначает, чтоначальноесостояниенаходится вобласти притяжения,соответствующегоискомому результатураспознавания.Притягивающийаттрактор,соответствующийсимволу, опознаётсягруппой нейронов,образовавшейсяв процессеобучения. Множествоаттракторов,соответствующеемножествураспознаваемыхсимволов образуетсемантическоепространство.

5. Интерфейсычитающих устройств

Длясвязи с ЭВМсканеры могутиспользоватьодин из трёхтипов интерфейса:последовательныйпорт, параллельныйпорт или шинарасширенияSCSI. ИнтерфейсSCSI работает быстреестандартныхпортов и незанимает порты.Для управленияработой сканеранеобходимасоответствующаяпрограмма -драйвер, чтопривязываетк конкретноймодели сканерасвоё программноеобеспечение.Однако существуетстандарт TWAIN,который разработандля ввода изображенияот любого источникарастровыхданных: ручногосканера, слайдовогосканера, цифровойвидеокамерыи др. Этот стандартподдерживаютЭВМ типа Macintosh итакие операционныесистемы, какWindows, UNIX и OS/2.

Вопросык лекции

1.Нарисуйтеподробнуюфункциональнуюсхему, реализующуюконтрастированиеизображенияфильтром Собеля.

________________________________________________________________________________________________

Курс«Периферийныеустройства»

(лекции)

-12-

Лекция19

Устройствапечати текстовойи графическойинформации

План

1. Обобщеннаяструктурапечатающегоустройства.

2. Ударныепечатающиеустройства.

3. Бездарныепечатающиеустройства.

3.1. Струйныепринтеры.

3.2. Термопечатающиеустройства.

3.3. Лазерныепринтеры.

Все печатающиеустройствапринято классифицироватьпо семи основнымпризнакам (рис.19.1):

 принципудействия;

 формированиютекста;

 формированиясимвола;

 способупечати;

 цветности;



форматубумаги;

 быстродействию.

1. Обобщеннаяструктурапечатающегоустройства

Независимоот способапечати всемтипам печатающихустройствприсущиобщие структурныеи конструктивныеособенности(рис. 19.2).

Конструкцияпечатающейголовки зависитот реализуемого принципа печати.Блок управленияобеспечиваетчерез интерфейссвязь с ПЭВМ,кодообмен сПЭВМ в соответствиис протоколом,управлениепечатающейголовкой имеханизмомпривода всоответствиис режимом печатии поступающимииз ПЭВМ управляющимикомандами, атакже взаимодействиес датчиками.В большинствесовременныхпечатающихустройствосновные функциив блоке управлениявыполняетмикропроцессорпо программе,записаннойв ПЗУ. Постоянныйзнакогенераторнаходится вПЗУ, а переменныйзнакогенератор,а также информация,поступающаяиз ПЭВМ, хранитсяв ОЗУ. Схемыформированиявырабатываютсигналы, обеспечивающиеработу печатающегомеханизма.

2. Ударныепечатающиеустройства

Средиударныхпечатающихустройствразличаютматричныепоследовательноготипа (рис. 19.3, а),с шрифтоносителемтипа “ромашка”(рис. 19.3, б), со сферическимшрифтоносителем(рис. 19.3, в) и сшрифтоносителембарабанноготипа (рис. 19.3, г).

Матричныепечатающиеустройстваоснащаютсязагружаемымииз ПЭВМ знакогенераторами,куда пользовательможет записатьнеобходимыеему знаки. Приэтом обеспечиваетсяпрямая адресацияк ударным элементампечатающейголовки. Еслиматричныеустройствазнакосинтезирующеготипа, то онимогут выводитьи графическуюинформацию.Поэлементныеописания графическихизображенийхранятся в ОЗУблока управленияпечатью.

3. Бездарныепечатающиеустройства

Печатающиеустройствабезударногодействияразделяютсяна струйные,с термографическимспособом печатии лазерные.

3.1. Струйныепринтеры

ляструйныхпечатающихустройств(рис. 19.4) печатающаяголовка содержитнесколько(обычно 12) капсул-эмиттеров,имеющих тонкиесопла. Внутрикапсулы создаётсяизбыточноедавление, и поддействиемволновогоимпульса производитсядозирование,и выброс струичернил черезсопло. Капелькичернил заряжаютсяот источникавысокого напряженияи под действиемускоряющегоэлектрическогополя направляютсяк валику, подающемубумагу и являющемусяодним из электродов.Входной сигналмодулируетпоток капельаналогичномодуляцииэлектрическоголуча в ЭЛТ.Управлениеперемещениемструи чернилпо бумагеосуществляетсяс помощью отклоняющихпластин. Главнымфактором припроектированииструйных печатающихустройствявляется обеспечениеточности управленияструёй чернили обеспечениевязкости красителяпри заданномвремени высыхания.

3.2. Термопечатающиеустройства

Термопечатающиеустройстваотносятся книзкоскоростными для них необходимаспециальнаятермочувствительнаябумага, изменяющаяцвет под воздействиемтепла, выделяемогопри нагреве.

сновутермопечатающейголовки составляетштабик(рис. 19.5) обычностеклянный.На нём методамитонкоплёночной,полупроводниковойили толстоплёночнойтехнологиисформированыматрица резистивныхнагревательныхэлементов,контактныеплощадки ипроводники.Такая головкаможет в процессеработы скользитьпо бумаге. Символывысотой Hи длиной Lформируютсяв виде мозаики,путём воздействияв конкретнойточке тепловогоимпульса, полученногоот точечногорезисторногонагреваемогоэлемента.

Втермовосковыхпечатающихустройствахиспользуютсярезиновыевалики, покрытыеслоем восковыхчернил. Тепло,поступающееот печатающейголовки, плавитвоск, и отпечатокпроявляетсяна бумаге. Этатехнологиядаёт самыесочные, многоцветныеи чёткие изображения.Перенос цветногоизображенияна обычную, ане на специальнуюбумагу осуществляетсяпри термодиффузионномспособе печати.

3.3. Лазерныепринтеры

Принципдействия лазерныхпечатающихустройствсхож с принципомдействияэлектростатическихкопировальныхустройств (рис.19.6).

ентральнымэлементомсистемы лазерногопечатающегоустройстваявляется вращающийсябарабан, покрытыйчувствительнымполупроводниковымслоем, заряженнымв темноте, подобноконденсатору.При освещенииконкретнойточки на поверхностибарабана,полупроводниковыйслой становитсяпроводящимв этой точкеи в ней происходитразряд. Данные,от ПЭВМ преобразуютсяс помощьюлазерно-оптическойсканирующейсистемы в сигналы,моделирующиелазерный луч.При облученииточки поверхностибарабана лазернымлучом переменнойинтенсивностиостаточныйразряд оказываетсяпропорциональнымизменениюинтенсивностилазерного луча,и на поверхностибарабана создаётсяневидимоеэлектростатическоеизображениестроки илистраницы информации.Затем это изображениепроявляетсяс помощьюэлектростатическизаряженнойпылеобразнойкраски изпластмассовыхчастиц. Краскаприлипает кповерхностибарабана толькотам, где естьстатическийзаряд (необлучённоепространство).Далее изображениепри воздействииэлектростатическогополя переноситсяна бумагу путёмрасплавлениякраски специальнымилампами.

Управлениепечатающимиустройствамив основномосуществляетсяс помощью команди кодов, стандартизованныхфирмами Epson и IBM.Наиболеераспространённыекоманды длялюбых типовпринтеров, атакже символы,воспринимаемыепринтером каккоды, заимствованыиз набора символовкода ASCII. Управляющиепоследовательностиначинаютсяспециальнымсимволом ESC(значение вкоде ASCII - 27).

Вопросык лекции

1.Нарисуйтефункциональнуюсхему блокауправлениялюбого печатающегоустройствана основе известногоВам микроконтроллерас возможностьюподключенияпечатающегоустройствак магистральномупорту (II вариант).

2.Напишите налюбом языкепрограммированияпроцедурудрайвера длязагрузки впечатающееустройствопеременногознакогенератора.

________________________________________________________________________________________________

Курс«Периферийныеустройства»

(лекции)

-7-