Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Лекции - Интерфейсы периферийных устройств (ИПУ) - файл Лекции-ИПУ.doc


Лекции - Интерфейсы периферийных устройств (ИПУ)
скачать (3127.5 kb.)

Доступные файлы (1):

Лекции-ИПУ.doc14469kb.08.01.2009 18:50скачать

содержание
Загрузка...

Лекции-ИПУ.doc

  1   2   3   4
Реклама MarketGid:
Загрузка...
1 Периферийные устройства


1.1 Источники бесперебойного питания

Назначение источников бесперебойного питания - обеспечить работу нагрузки при полном отключении электропитания (UPS - Uninterruptible Power Supply или ИБП - источник бесперебойного питания).

ИБП делятся на:

  1. Централизованные ИБП, которые предполагают централизованное преобразование, стабилизацию и распределение энергии для питания потребителей (установка одного или несколь­ких работающих в параллель или в горячем резерве ИБП, одного или нескольких дизель — генераторов - такая структура ИБП рекомендуется для применения на крупных объектах).

  2. Децентрализован单䍂柈蔺က115115⨊唒ÿࠀȀȀают установку маломощных офисных ИБП для каждого защищаемого прибора (ПК и др. оборудование).

По мощности ИБП делятся на:

  1. малой и средней мощности (с полной мощностью 3-5 кВА);

  1. средней мощности (с полной мощностью 5-10 кВА);

  1. большой мощности (с полной мощностью 10-1000 кВА).

ИБП малой и средней мощности делятся на три категории:

  1. резервные (off-line или standby);

  1. линейно-интерактивные (line-interactive);

  1. ИБП с двойным преобразованием напряжения (on-line).

Off-Line — схема построения ИБП, характерная наличием преобразователя (инвертора), который формирует выходное напряжение только при работе от аккумуляторной батареи (АБ) В нормальном режиме работы, нагрузка питается напряжением сети. Достоинство схемы — простота и экономичность, недостаток — нет стабилизации входного напряжения при работе в нормальном режиме и относительно большое время переключения на АБ в аварийном режим работы.

Line-Interactive — схема построения ИБП, подобная схеме Off-Line. Отличие лишь в том, что на входе имеется ступенчатый стабилизатор (бустер- booster), на основе автотрансформатора (используется в ИБП, построенных по схеме «Line-Interactive» и работать на повышение или понижение напряжения.

On-Line — схема построения ИБП, характерная наличием двойного преобра­зования входного напряжения и постоянно работающего инвертора. В нормальном режиме работы входное переменное напряжение преобразу­ется в постоянное, а затем с помощью инвертора снова преобразуется в переменное. Недостатки ИБП по схеме On-Line: сложность, высокая стоимость, а двойное преобразование энергии несколько снижает КПД. ИБП по схеме On-Line используют для питания файловых серверов и рабочих станций локальных вычислительных сетей и оборудования с повы­шенными требованиями к качеству электропитания.

Инвертор — устройство преобразующее постоянное напряжение в перемен­ное.

Р
исунок 1.1 - Схема классического ИБП

И
БП, относящиеся к данной группе, могут быть поделены на две подгруппы: standby hybrid UPS и standby-ferro UPS (гибридные и феррорезонансные).

Рисунок 1.2 – Структурная схема UPS Off-Line

О
сновным узлом феррорезонансных моделей ИБП (рисунок 1.3) является феррорезонансный трансформатор, который имеет две первичных обмотки (рисунок 1.4). В нормальном режиме работы напряжение от сети поступает через переключатель на одну из первичных обмоток трансформатора, а при сбое питания - от аккумулятора через преобразователь на другую.

Рисунок 1.3 - Феррорезонансный ИБП

Наличие феррорезонансного преобразования позволяет гарантировать высокий уровень гальванической развязки, практически синусоидальную форму выходного напряжения, а также исключить в электропитании импульсные помехи /7/.




Рисунок 1.4 – Коммутация первичных обмоток трансформатора


Линейно-интерактивные (line-interactive) работают аналогично Off-Line, но имеют дополнительную возможность ступенчатой стабилизации при длительных про­седаниях входного напряжения с помощью бустера (обычно посредством пере­коммутации первичных обмоток входного трансформатора).

Схема, поясняющая принцип действия ИБП, использующих топологию line-interactive (интерактивные ИБП), приведена на рисунке 1.5. Одним из основных отличий от классической топологии ИБП является Smart-Boost. Это позволяет при кратковременных провалах (brownout) напряжения до 12% от номинального не переходить на питание от аккумуляторов, а “вытягивать” уровень выходного напряжения за счет усиления входного.




Рисунок 1.5 – Линейно-интерактивный ИБП

ИБП с двойным преобразованием напряжения (рисунок 1.6). Постоянно включенные ИБП (работающие в режимах on-line) обеспечивают энергоснабжение подключенных устройств от батареи аккумуляторов через преобразователь напряжения независимо от состояния электросети, в то время как резервные ИБП переходят на такой режим работы только при полном отключении внешнего питающего напряжения.

Эти ИБП (on-line) обладают наилучшими характеристиками, в них нагрузка получает питание всегда от инвертора. Инвертор получает постоянное напряжение от сетевого выпрямителя или аккумулятора, схема обеспечивает высокую стабильность напряжения при питании как от сети, так и от аккумулятора.




Рисунок 1.6 – Структурная схема UPS On-Line

Для соединения с ИБП (за исключением встраиваемых) используются обычно либо специальный интерфейс, либо стандартный последовательный интерфейс RS-232.

Источники бесперебойного питания имеют следующие параметры:

  1. выходная мощность;

  2. число фаз входного и выходного напряжения;

  3. форму выходного напряжения;

  4. порог переключения;

  5. время переключения на резервное питание (обычно 1-10 мс);

  6. время работы от резервного источника;

  7. телеметрия;

  8. телеуправление;

  9. планирование включения и выключения.

Телеметрия. Информация о состоянии питающей сети, батареи и других узлов, температуре внутри ИБП, величине нагрузки и т. д. передается в систему сбора, обработки и отображения информации. Система может прогнозировать время работы от батарей.

Телеуправление. Двунаправленный интерфейс с ИБП обеспечивает подачу управляющих команд - отключение, запуск диагностических тестов и т.д.

^ Планирование включения и выключения. Администратор может задать график работы сервера, указывая время включения и отключения питания на каждый день недели.


1.2 Модемы

Назначение модемов. Модем - это устройство, которое позволяет обмениваться данными по телефонной линии.

^ Классификация модемов. Различают модемы, предназначенные для работы на выделенных и на коммутируемых линиях, модемы для цифровых и аналоговых линий. В зависимости от поддерживаемого режима делятся на:

  • поддерживающие только асинхронный режим работы;

  • поддерживающие асинхронный и синхронный режимы работы;

  • поддерживающие только синхронный режим работы.

По исполнению:

1. Внутренний модем - вставляется в компьютер и в свою очередь делятся на контроллерные и бесконтроллерные.

2. Настольный модем - имеет отдельный корпус и размещается рядом с компьютером, соединяясь кабелем с портом компьютера.

3. Портативный модем – (похож на настольный модемом), но имеет уменьшенные размеры и автономное питание.

4. Стоечные модемы - вставляются в модемную стойку, повышающую удобство эксплуатации, когда число модемов превышает десяток.

По характеру применения делятся на обычные и профессиональные:

1. Обычные модемы используются дома или в офисе. Эти модемы используют только телефонные каналы /5,6/.

2. Профессиональные модемы - скоростные устройства, преимущественно стоечного исполнения. Используются для интеграции локальных сетей, в модемных пулах, для удалённого доступа к ресурсам ЛВС.

Среди обычных модемов можно выделить 3 вида:

  • устройства для обмена данными (просто модемы);

  • устройства для обмена данными и документами (факс-модемы);

  • устройства для обмена данными, документами и приёма голосовых сообщений (голосовые факс-модемы).

По типу передающей среды можно выделить:

  • модемы для 2-х проводных медных линий (обычные, профессиональные, ADSL);

  • модемы для 4-х проводных медных линий (обычные, профессиональные, HDSL, ISDN);

  • модемы для оптоволоконных линий (FOM, FOM-T1/E1, FOM-T2/E2, FOM-T3/E3);

  • модемы для радиоканалов (радио-модем, сотовый модем);

  • кабельные модемы (используют коаксиальный кабель).

Аппаратное обеспечение модемов. Модемы имеют стандартные физические интерфейсы:

  • последовательный интерфейс передачи данных (RS-232) или USB;

  • интерфейс с телефонной линией RG-11 (четырёх - контактный телефонный разъём).

Обычный модем включает в себя:

    • специализированный процессор, управляющий его работой;

    • ОЗУ для буферизации передаваемых и принимаемых данных;

    • ПЗУ, где хранится программа его работы и стандартные конфигурации (в большинстве модемов - энергонезависимое ОЗУ или ППЗУ, где может быть сохранено несколько подготовленных пользователем конфигураций);

    • громкоговоритель для обеспечения контроля работы.

Пример организации канала передачи данных с использованием модемов приведен на рисунке 1.7. Аббревиатурой DTE (Data Terminal Equipment - оконечное оборудование передачи данных) в терминологии систем связи обозначаются оконечные цифровые устройства, генерирующие или получающие данные. Аббревиатурой DCE (Data Communication Equipment - оборудование передачи данных) обозначаются модемы. Линия связи между DCE - аналоговая, между DCE и DTE - цифровая.



Рисунок 1.7 – Структура канала передачи данных

^ Асинхронная и синхронная связь. В асинхронном режиме данные передаются побайтно (рисунок 1.8) , каждый байт предваряется стартовым битом и завершается одним или двумя стоповыми битами. Минимальной единицей передачи является байт, а стартовые/стоповые биты между байтами обеспечивают правильное опознание начала и конца каждого байта.

В синхронном режиме данные передаются побитно, без группировки в байты. В этом случае нет накладных расходов на группировку битов, и единицей передачи является отдельный бит. Тем не менее, чтобы приемник имел возможность пересинхронизации в случае потери части потока, биты часто оформляются в пакеты различной длины, снабженные заголовком и контрольной суммой (рисунок 1.9).

Р
исунок 1.8 – Структура символов при асинхронной передаче




Рисунок 1.9 – Синхронный режим передачи

Практически все современные модемы имеют похожие функциональные схемы (рисунок 1.11), состоящие из основного процессора, сигнального процессора, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ, RAM), постоянного запоминающего устройства (ПЗУ, ROM), перепрограммируемого запоминающего устройства, модулятора/демодулятора, схемы согласования с линией и динамика. Основной процессор является встроенным микрокомпьютером, отвечающим за прием и выполнение команд, буферизацию и обработку данных - кодирование, декодирование, сжатие/распаковку и за управление сигнальным процессором. В большинстве модемов используются специализированные процессоры - Сигнальный процессор (DSP, Digital Signal Processor - цифровой сигнальный процессор) на основе типовых наборов микросхем, а в некоторых - процессоры общего назначения.




Рисунок 1.11 - Структурная схема модема.

Модуляция. Модуляции и метод построения модема в значительной степени определяют скорость передачи данных и эффективность использования канала связи. Для передачи цифровой информацию по аналоговым каналам связи ее сначала нужно закодировать. Для этого можно использовать амплитудную (АМ), частотную (ЧМ) или фазовую (ФМ) модуляции.

При частотной модуляции ЧМ (Frequency Shift Keying - FSK - для скорости передачи до 1200 бит/с) элементы передаются различными частотами несущего сигнала. Это помехоустойчивый способ модуляции, но наименее скоростной. FSK использует четыре выделенные частоты. При передаче информации сигнал частотой 1070 Гц интерпретируется как логический нуль, а сигнал частотой 1270 Гц - как логическая единица. При приеме нуль соответствует сигналу 2025 Гц, а единица - 2225 Гц.

При относительной фазовой модуляции ОФМ (Differential Phase Shift Keying – DPSK - скорость передачи от от 2400 бит/с до 4800 бит/с) информация передается путем сдвига фазы несущего сигнала. PSK использует две частоты: для передачи данных - 2400 Гц, для приема - 1200 Гц.

Квадратурно-амплитудная КАМ (Quadrature Amplitude Modulation – QAM от 9600 бит/с до 33600 бит/с) сочетает изменение фазы и амплитуды сигнала. Здесь сигнал представляется суммой синусоидальной и косинусоидально составляющих, которые находятся в квадратуре по отношению друг к другу. В методе квадратурной амплитудной модуляции QAM одновременно изменяются фаза и амплитуда сигнала, что позволяет передавать большее количество информации.

Протоколы. При использовании модемов и обычных телефонных линий связи обмен данными ведется на одной из стандартных скоростей - 2400, 4800, 7200, 9600, 12000, 14400, 16800, 19200, 21600, 24000, 26400, 28800, 31200 и 33600 bps.

Характеристики протоколов:

  1. V.21 определяет требования к модемам, работающим со скоростью передачи данных 200 (300) бит/с и предназначенным для использования в общей коммутируемой телефонной сети. Данный тип модемов определяется как асинхронный, работающий в дуплекс­ном режиме по выделенному или коммутируемому двухпроводному каналу. При этом используется способ частотной мо­дуляции - " модуляции со сдвигом частоты".

  2. V.22 определяет требования к модемам, обеспечиваю­щим скорость передачи данных до 1200 бит/с и предназначенных для использования в общей коммутируемой телефонной сети, модемы данного типа используют асинхронно-синхронный дуплексный режим работы. Между оконечным обо­рудованием данных и модемом данные передаются в асинхронном ре­жиме, модем удаляет стартовые и стоповые биты и передает данные в канал связи в синхронном режиме. Использует относительную фазовую модуляцию ОФМ (Differential Phase Shift Keying - DPSK), передающую информацию путем сдвига фазы несущего сигнала. Несущие частоты- 1200 и 2400 Гц, скорость модуляции - 600 Бод.

  3. V.22bis. Развитие V.22 - использование шестнадцатипозиционной квадратурно-амплитудной модуляции с передачей четырех битов за одну модуляцию сигнала. Скорость передачи - до 2400 бит/с.

  4. V.32 (ITU-T). Использует шестнадцатипозиционную КАМ и Trellis-кодирование, скорости передачи - 4800 и 9600 бит/с.

  5. V.32bis (ITU-T). Максимальная скорость передачи данных ограничивалась 14400 bps при модуляционной скорости в 2400 бод. Ограничив стандартом V.32bis максимальную скорость передачи данных на уровне 14400 вместо 19200 bps фирма производитель, выпуская модем стандарта V.32bis, добавляла к нему свой фирменный протокол, позволяющий увеличить скорость передачи данных до 19200 и даже до 21600 bps (протоколы V.32 terbo) Расширение V.32 со скоростью передачи до 14400 бит/с, введены промежуточные скорости 7200 и 12000 бит/с.

  6. HST (US Robotics). Помехоустойчивый несимметричный протокол с передачей в одну сторону со скоростью до 16800 бит/с, в обратном канале скорость фиксирована - 300 или 450 бит/с.

  7. ZYX (ZyXEL). Протокол со скоростью передачи от 7200 до 16800 бит/с в обычных моделях, и до 19200 бит/с - в моделях Plus.

  8. V.34. Скорость связи по обычным аналоговым телефонным линиям связи на скоростях до 33600 bps. В V.34 добавлены обязательные к применению модуляционные скорости - 3000 и 3200 бод, а также дополнительные - 2743, 2800 и 3429 бод. В стандарте V.34 скорость передачи данных может изменяться от 2400 до 28800 bps с шагом в 2400. Предполагалась скорость до 32 Kbps.

  9. V.34bis (ITU-T). Расширение V.34 до скорости 33600 бит/с с промежуточной скоростью 31200 бит/с.

  10. V.90. При использовании стандарта V.90 модемы могут принимать цифровые данные на одной из следующих скоростей - 28000, 29333, 30666, 32000, 33333, 34666, 36000, 37333, 38666, 40000, 41333, 42666, 44000, 45333, 46666, 48000, 49333, 50666, 52000, 53333, 54666, 56000 и 57333 bps. При использовании протокола V.90 и отличного телефонного канала скорость передачи данных не превысит 53 Kbps. Протокол V.90 по сравнению с V.34 обеспечивает лишь 50%-ное повышение производительности.

^ Протоколы коррекции ошибок. Протоколы коррекции ошибок основаны на повторении передачи ошибочного блока (кадра) по запросу от принимающего модема. Каждый блок снабжается контрольной суммой, которая проверяется на приемном конце, и блок не отдается потребителю до тех пор, пока не будет принят в правильном виде. Кроме исправления ошибок, протоколы коррекции могут передавать служебные сообщения между модемами.

^ Протоколы сжатия данных. Сжатие данных выполняется путем обнаружения и частичного устранения избыточности информации во входном потоке передающего модема, после чего закодированные блоки данных уменьшенного, размера направляются принимающему модему, который восстанавливает их исходный вид. Принцип действия алгоритмов сжатия во многом похож на работу архиваторов.

^ Высокопроизводительные модемы для передачи по телефонным линиям. Структурная схема обычного телефонного канала показана на рисунке 1.12.

Чаще всего телефонная связь осуществляется с помощью нескольких соединений в телефонной сети.



Рисунок 1.12 - Аналоговый модем, работающий

с телефонной линией общего пользования

Абонентская линия представляет собой двухпроводную витую пару, которая на телефонной станции преобразуется в четырехпроводную. При этом два проводника работают на передачу и два на прием. Сигнал преобразуется обратно к 2-проводной паре на линии удаленного абонента.

В обычной телефонной связи существует два типа эха. Первое эхо – это отражение от ближней (входной) гибридной схемы телефонной станции, а второе эхо – от дальней (выходной) гибридной схемы.

Упрощенная структурная схема аналогового модема стандарта V.90 показана на рисунке 1.13. Как следует из нее, большая часть обработки сигналов выполняется в цифровой форме.



Рисунок 1.13 - Упрощенная структурная схема аналогового модема

стандарта V.90

Последовательный поток данных, предназначенных для передачи, сначала скремблируется (т.е. осуществляется перемежение данных, изменение порядка следования) и кодируется. Скремблирование позволяет получить из входного потока данных псевдослучайную последовательность. Цель скремблирования состоит в том, чтобы привести спектр передаваемых данных к спектру белого шума. Без скремблирования длинная последовательность идентичных символов могла бы привести к неверному опознаванию приемником несущей.

Стандарт V.90 позволяет увеличить скорость приема данных до 56 Кбит/с и скорость передачи данных до 33.6 Кбит/с (V.34). Новый стандарт V.92 предусматривает скорость обмена до 56 Кбит/с в обоих направлениях.

^ Стандарт ADSL. ADSL представляет технологию высокоскоростной цифровой коммутации и маршрутизации и обработки сигналов.

ADSL имеет следующие достоинства:

  1. Высокая скорость ADSL. Видеоклип размера 10 МБ, для загрузки которого необходимо 90 минут при использовании обычного модема, с помощью модема ADSL будет загружен за 10 секунд. Сверхскоростные ADSL-модемы могут передать данные со скоростью 8 мегабит в секунду.

  2. Легкость установки ADSL. Используются существующие телефонные линии на основе медной витой пары от центральной коммутационной станции до дома или офиса абонента.

  3. Рентабельность ADSL. Переход на новый стандарт не требует существенной перестройки существующей инфраструктуры телефонной сети.

  4. Жизнеспособность ADSL. Отсутствуют трудности, которые привели бы к остановке внедрения быстродействующих волоконных сетей в домашний обиход (такие как высокая стоимость и сложность прокладки). ADSL работает с существующими телефонными сетями общего пользования.

Упрощенная схема ADSL-системы показана на рисунке 1.16.



Рисунок 1.16 – Структура и характеристики системы связи ASDL

ADSL использует часть диапазона, не применяемого для голосовой связи. Это позволяет разделить полосу 1 МГц на три информационных канала: один быстродействующий входящий канал, один дуплексный канал со средней скоростью передачи, и один обычный голосовой канал. (Нисходящий поток данных направлен от телефонной станции к клиенту, а исходящий — от клиента к станции).

Фактически, ADSL обеспечивает скорость передачи данных от сети к абоненту более 8 Мбит/с и до 640 Кбит/с при передаче данных от абонента к сети.

Структурная схема модема ADSL показана на рисунке 1.17.



Рисунок 1.17 – Структурная схема модема ASDL


^ 1.3 Магнитные накопители

Классификация и основные характеристики накопителей. В качестве ВЗУ используются устройства, различающиеся типом носителя, способом регистрации и характером использования информации, способом доступа и.т.

По типу носителя различают ВЗУ с подвижным и неподвижным носителем. Если поиск, запись и считывание информации сопровождается механическим перемещением носителя, то такие ВЗУ называют накопителями с подвижным носителем (накопители на магнитных дисках НМД), оптических дисках (НОД), магнитных лентах (НМЛ). Если при поиске, записи, считывании механического перемещения не происходит, то ВЗУ - накопитель с неподвижным носителем (накопители на основе цилиндрических магнитных доменов -ЦМД). Реже в ВЗУ используют объемную запись – полупроводниковые ЗУ, приборы с зарядовой связью.

По способу регистрации различают ВЗУ с магнитной и оптической (магнитооптической) записью.

По характеру использования информации - постоянные ВЗУ, которые допускают только чтение информации, ВЗУ с однократной записью (после чего только чтение) и многократной записью (произвольное число записей и чтения).

По способу доступа к информации - накопители с последовательным и прямым доступом.

ВЗУ принято характеризовать следующими параметрами:

  • емкостью памяти;

  • пропускной способность или скоростью чтения-записи;

  • временем доступа, т.е. интервалом времени от момента запроса до момента выдачи блока.

Плотность записи ВЗУ b. Здесь понимают числа бит информации, записанных на единице поверхности носителя; это поверхностная плотность. Различают также продольную плотность bl, бит/мм, т.е. число бит на единице длины носителя вдоль вектора скорости перемещения, и поперечную плотность bq, бит/мм, т.е. число бит на единице длины носителя в направлении, перпендикулярном вектору скорости.

Плотность записи определяет геометрические размеры накопителя, параметры его быстродействия, а также объемами памяти.

^ Принцип записи информации на магнитную поверхность. В качестве запоминающей среды в устройствах магнитной записи используются порошковые и гальванические покрытия, нанесенные на немагнитную среду - подложку. В качестве подложки для магнитных лент используется лавсан. Метод записи/считывания в НМЛ контактный, магнитная головка находится в механическом контакте с магнитоносителем.

Магнитные диски и барабаны покрываются металлическими покрытиями на основе никеля, кобальта, вольфрама, наносимыми гальваническим способом. Толщина покрытия колеблется от 0,01 до 1 мкм.

Гибкие магнитные диски (дискеты) вырубаются из магнитной пленки. В накопителях на гибких магнитных дисках (НГМД) применяется также контактный метод, в отличие от накопителей на жестких магнитных дисках (НЖМД) и накопителей типа винчестер, где метод записи-считывания - бесконтактный.

Для намагничивания отдельных участков магнитного покрытия с целью записи используется магнитная головка или блок магнитных головок, состоящих из магнитного сердечника с зазором и намотанной на него катушки индуктивности.

^ Накопители на гибких магнитных дисках. Устройство (НГМД) (рисунок 1.19) включает ГМД, пять основных систем (приводной механизм, механизм позиционирования, механизм центрования и крепления, систему управления и контроля, систему записи-считывания) и три специальных датчика (датчик индексного отверстия, датчик запрета записи, датчик дорожки 00).

Полезная поверхность диска представляет собой набор дорожек, расположенных с определенным шагом. Нумерация дорожек начинается с внешней стороны (нулевой дорожки). Позиция дорожки 00 определяется в накопителе с помощью специального фотоэлектрического датчика. Сама дорожка разбивается на отдельные участки записи равной длины - секторы. Начало участков записи-считывания на дорожках определяется имеющимся на диске специальным круглым индексным отверстием. Когда индексное отверстие при вращении диска проходит под соответствующим окном кассеты, другой фотоэлектрический датчик вырабатывает короткий электрический импульс, по которому обнаруживается позиция начала дорожки.




В НГМД используют два основных метода записи: метод частотной модуляции (ЧМ) и метод модифицированной ЧМ.

^ Адаптеры накопителей на гибких магнитных дисках. Адаптер НГМД переводит команды, поступающие из ПЗУ BIOS, в электрические сигналы, управляющие НГМД, а также преобразует поток импульсов, считываемых с дискеты МГ, в информацию, воспринимаемую ПЭВМ. Конструктивно электронное оборудование адаптера может быть размещено на системной плате. Один из вариантов построения структурной схемы адаптера НГМД приведен на рисунке 1.20.




Основным функциональным блоком адаптера НГМД является контроллер НГМД, реализуемый конструктивно обычно в виде БИС (интегральные микросхемы 8272 Intel, 765 NEC и др.). Данный контроллер обеспечивает управление операциями НГМД и определяет условия обмена с центральным процессором.

Контроллер НГМД выполняет следующий набор команд: позиционирование, форматирование, считывание, запись, проверка состояния НГМД и др. Каждая команда выполняется в три фазы: подготовительной, исполнения и заключительной.

^ Zip накопители. Накопители Zip выпускаются в виде внутренних SCSI- и ATAPI-моделей и внешних устройств, подключаемых через параллельный порт либо интерфейсы SCSI и USB. Диски Zip имеют максимальную емкость 250 Мбайт (поддерживается всеми дисководами, кроме USB-модели). Максимальная скорость обмена у первых моделей Zip достигала 1,4 Мбайт/с, в среднем время доступа было порядка 30 мс. Новые модели стали немного быстрее. По своим скоростным характеристикам они сопоставимы, скажем, с современными записывающими дисководами CD-RW, немного уступая им в скорости чтения и времени доступа к диску, но превосходя при этом в скорости записи.

Другим вариантом сменных накопителей, основанных на использовании мягких магнитных дисков, является так называемая флоптическая технология. Это решение подразумевает, что позиционирование головки чтения/записи осуществляется при помощи луча лазера на служебную дорожку (servo-track), а сами операции чтения и записи - стандартным магнитным способом.

У современных устройств скорость передачи данных составляет 1,1 Мбайт/с (ATAPI). У SCSI-накопителей этот показатель еще выше - до 4 Мбайт.

Стримеры. Они используются для архивирования или резервного копирования, потому что носителем информации в них служит магнитная лента (лавсан, полиэфирной или ацетатной пленки), покрытой ферролаком, нанесенным в магнитном поле с целью ориентации плоских доменов по оси легкого намагничивания.

В зависимости от типа накопителя и, соответственно, носителя, применяются ленты разной ширины и длины, начиная от 3,61 мм для миникассет до 35 мм для катушек (бобин). Чаще используется лента ширины 12,7 мм; при большей ширине возникают перекосы ленты и усложняется блок магнитных, головок. Размещение информации зависит от ширины ленты. На узких лентах информация записывается последовательным кодом, на широких - параллельным. Применяется также запись параллельно-последовательным кодом.

На рисунке 1.21 показано размещение информации на МЛ при последовательно-параллельной записи на 11 дорожках. Каждой дорожке соответствует своя магнитная головка: 8 информационных, головка синхроимпульсов, головка начала зоны. Наибольшее время тратится на поиск зоны - оно может достигать нескольких минут в зависимости от расположения искомой зоны на ленте. Лентопротяжные механизмы обеспечивают продвижение ленты со скоростями от 0,9 до 6,3 м/с. и скорость обмена информацией от 30 Кбайт/с до 1,5 Мбайт/с. Для обеспечения быстрого пуска и останова ленты в лентопротяжном механизме НМЛ имеются вакуумные колонки, которые являются буферными устройствами, содержащими определенный запас ленты в виде компенсационной петли.



а) размещение на ленте зон произвольной длины;

б) размещение информации в зоне

Рисунок 1.21 - Размещения информации при последовательно-параллельной форме размещения информации на магнитной ленте НМЛ


Контроллеры НМЛ выполняют функции управления режимами работы накопителя по командам, поступающим от ЭВМ. Контроллеры НМЛ стандартизованы и позволяют подключать до 8-ми накопителей разных типов в любом сочетании к каналу ЭВМ.

НМЛ подключаются к контроллеру с помощью стандартного интерфейса. Наиболее часто используются 8 шин управления, 4 шины признаков состояния и 8 шин ответа. Шины управления и шины признаков являются общими для всех НМЛ, подключенных к контроллеру.

^ Оптические и магнитооптические накопители. Оптические внешние ЗУ имеют высокую плотность записи информации, на несколько порядков большую плотности магнитных ВЗУ, так как для регистрации одного бита достаточно участка на носителе с размерами порядка длины волны излучаемого лазером света(порядка 0,5 мкм). Этот тип внешних ЗУ имеет высокое быстродействие и надежность.

Как запись на оптический носитель - оптический диск, так и воспроизведение с него, осуществляются лазерным лучем. Лазеры способны генерировать и усиливать электромагнитные колебания в диапазонах 0,4 мм ...0,78 мкм (инфракрасная часть оптического спектра, это мазеры), 0,78 ...0,38 мкм (волны видимого света) и 0,38...2 нм (ультрафиолетовая часть спектра).

Цифровой оптический диск состоит из рабочего (регистрирующего, информационного) слоя, на который наносится информационная сигналограмма в виде определенных чередований его состояний, и основы, на которой находится этот рабочий слой. На рисунке 1.22 показана конструкция двухстороннего компакт-диска фирмы Philips, в котором две прозрачные основы с рабочими слоями соединены вместе и образуют замкнутое пространство для рабочих слоев.


Рабочий слой

Отражающий подслой


Подложка

Основа


Воздушный промежуток

Рисунок 1.22 - Конструкция двустороннего оптического диска


Имеются отражающий зеркальный слой и воздушный промежуток. Подложка выполнена из пластика. В качестве материала рабочего слоя применяются теллур и его сплавы, сплав селена, индия, меди, алюминия, никеля и цинка.

Конструкция оптической головки, предназначенной для записи и считывания дисков, приведена на рисунке 1.23. Наиболее распространены компакт-диски диаметром 119 мм (4,7 дюймов). На однократно записываемом диске такого диаметра располагается 550 либо 680 Мбайт. Производятся так же диски диаметром 80 мм емкостью 200 Мбайт



Рисунок 1.23 - Оптическая головка комбинированного типа для дисков с перезаписью

Устройства записи работают в трех режимах. В односеансном режиме запись всего диска должна осуществляться за один проход без перерывов. Многосеансный режим позволяет записывать данные за несколько сеансов, в результате чего информация на диске представляется в виде отдельных томов, напоминающих логические разделы жесткого диска и инкрементный режим позволяет записать часть данных, остановиться, а затем продолжить запись.

Оптическое дисковое ВЗУ состоит из двух частей: накопителя на оптических дисках (НОД) и устройства управления (УУ), приведенных на рисунке 1.24.




Рисунок 1.24 - Обобщенная структурная схема оптического дискового ВЗУ


В накопителе осуществляются процессы записи, хранения, считывания, стирания и поиска информации.

^ Связь УУ и НОД осуществляется по шинам: команд, состояния, адреса и по линиям: данных записи, данных воспроизведения, синхронизации данных воспроизведения.

^ Канал записи - воспроизведения (КЗВ) представляет собой часть информационного канала ВЗУ на ОД. С его помощью реализуется запись и воспроизведение информации на ОД. Он состоит из оптической и электрической части. Оптическую часть канала называют оптической головкой (ОГ).

^ Электрическая часть КЗВ в процессе записи преобразует информационные сигналы, поступающие из контроллера, в форму, пригодную для записи на ОД, и управляет непосредственно реализацией процесса записи путем изменения интенсивности лазерного луча, падающего на точку записи ОД, в соответствии с информационными сигналами. При воспроизведении электрическая часть КЗВ обрабатывает электрические сигналы, поступающие из фотоприемника: формирует, детектирует, распознает и передает их в контроллер.

В быстродействующих МО-накопителях в режимах записи и чтения используется буферная кэш-память большого объема (от 4 Мбайт).

Система поиска информации в НОД включает в себя позиционер оптической головки, привод ОД а также в случае многодисковых НОД систему хранения, выбора и смены ОД.

Позиционер ОГ служит для перемещения ОГ на заданную дорожку ОД и удержания светового луча на дорожке в процессе записи и воспроизведения.

На рисунке 1.25 показана структурная схема CD ROM.




Рисунок 1.25 - Структурная схема CD-ROM

Состав:

  • сервосистема управления вращением диска;

  • сервосистема позиционирования лазерного считывающего устройства;

  • сервосистема автофокусировки;

  • сервосистема радиального слежения;

  • система считывания;

  • схема управления лазерным диодом.

Сервосистема управления вращением диска обеспечивает постоянство линейной скорости движения дорожки считывания на диске относительно лазерного пятна. Характерными признаками исправной работы являются четко прослеживающиеся фазы:

  • старт и разгон вращения диска;

  • установившийся режим вращения;

  • интервал торможения до полной остановки;

  • съем диска лотком каретки и вынос его наружу из дисковода.

На рисунке 1.26 показана структура связей оптико-электронной системы считывания информации.



Рисунок 1.26 - Структура связей оптико-электронной системы

считывания информации

Сервосистема позиционирования головки считывания информации обеспечивает плавное подведение головки к заданной дорожке записи с ошибкой, не превышающей половины ширины дорожки в режимах поиска требуемого фрагмента информации и нормального воспроизведения. Сервосистема радиального слежения обеспечивает удержание луча лазера на дорожке и оптимальные условия считывания информации.

Контроль и управление вертикальным перемещением фокусирующей линзы осуществляется под воздействием сервофокуса. Эта система обеспечивает точную фокусировку лазерного луча в процессе работы на рабочей поверхности диска.

Система считывания информации содержит фотодетекторную матрицу и дифференциальные усилители сигналов. О нормальной работе этой системы можно судить по наличию высокочастотных сигналов на ее выходе при вращении диска.

Система управления лазерным диодом обеспечивает номинальный ток возбуждения диода в режимах пуска диска и считывания информации. Признаком нормальной работы системы является наличие ВЧ-сигнала амплитудой около 1 В на выходе системы считывания.

^ ВЗУ на ЦМД – содержащих материалах. Цилиндрические магнитные домены (ЦМД) представляют собой изолированные однородно намагниченные области магнетика в форме круговых цилиндров, направление вектора намагниченности в которых противоположно направлению намагниченности остальной части магнетика.

Для создания ЦМД на практике используются нанесенные на подложку тонкие плоскопараллельные пластины - пленки (толщиной от 1 до 100 мкм) магнитных материалов с наведенной в процессе изготовления анизотропией, обладающие малой остаточной индукцией порядка 0,01 - 0,02 тесла.

^ ВЗУ на основе голографии. Использование лазерной техники для ввода, хранения и выдачи информации в форме объемных изображений позволило создать голографические средства отображения (СО). Объем памяти голографических ЗУ практически неограничен: теоретически достижимая плотность записи с помощью двумерных голограмм - 410 8 бит/см2, а с помощью объемных голограмм - 41012 бит/см 3 .


^ 1.4 Жесткие магнитные диски

Конструкция жесткого магнитного диска (ЖМД) представляется в виде камеры, внутри которой находится один или более дисковых носителей насаженных на один шпиндель и блок головок чтения/записи с их общим приводящим механизмом. Рядом с камерой носителей и головками располагаются схемы управления головками, дисками и называются контроллером (интерфейсным адаптером).

На диске располагаются концентрические дорожки, равномерно распределенные по всему носителю. Дорожки, находящиеся одна под другой на носителе, называются цилиндром. Операции чтения/записи производятся подряд над всеми дорожками цилиндра, после чего головки перемещаются на новую позицию. Воздух внутри камеры максимально очищен от пыли. Диски вращаются постоянно, а скорость вращения от 4500 до 15000 об/мин.

Для позиционирования головок чтения/записи применяются шаговые и линейные двигатели механизмов позиционирования и механизмы перемещения головок в целом.

Парковкой головок называют процесс их перемещения в безопасное положение. Это - парковочное положение головок в той области дисков, где ложатся головки. Там, обычно, не записано никакой информации, кроме серво - это специальная посадочная зона. Для фиксации привода головок в этом положении в большинстве ЖМД используется маленький постоянный магнит, когда головки принимают парковочное положение - этот магнит соприкасается с основанием корпуса и удерживает позиционер головок от ненужных колебаний. При запуске накопителя схема управления линейным двигателем отрывает фиксатор, подавая на двигатель, позиционирующий головки, усиленный импульс тока. В ряде накопителей используются и другие способы фиксации - основанные, например, на воздушном потоке, создаваемом вращением дисков. В настоящее время на всех современных устройствах парковка головок накопителей производится автоматически внутренними схемами контроллера при отключении питания и не требует для этого никаких дополнительных программных операций.

Основные физические и логические параметры ЖМД. Наиболее распространены накопители с диаметром дисков 2.2, 2.3, 3.14 и 5.25 дюймов. Диаметр дисков определяет плотность записи на дюйм магнитного покрытия.

Число поверхностей - определяет количество физических дисков нанизанных на шпиндель (наиболее распространены устройства с числом поверхностей от 2 до 5).

^ Число цилиндров - определяет сколько дорожек (треков) будет располагаться на одной поверхности (все накопители емкостью более 1 Гигабайта имеют число цилиндров более 1024).

^ Число секторов - общее число секторов на всех дорожках всех поверхностей накопителя.

Число секторов на дорожке - общее число секторов на одной дорожке (для современных накопителей показатель условный, т.к. они имеют неравное число секторов на внешних и внутренних дорожках, скрытое от системы и пользователя интерфейсом устройства).

^ Частота вращения шпинделя - определяет, сколько времени будет затрачено на последовательное считывание одной дорожки или цилиндра.

Время перехода от одной дорожки к другой - обычно составляет от 3,5 до 5 миллисекунд, а у быстрых моделей может быть от 0,6 до 1 миллисекунды.

^ Время успокоения головок - время, проходящее с момента окончания позиционирования головок на требуемую дорожку до момента начала операции чтения/записи.

^ Время установки или время поиска - время, затрачиваемое устройством на перемещение головок чтения/записи к нужному цилиндру из произвольного положения.

^ Среднее время установки или поиска - усредненный результат большого числа операций позиционирования на разные цилиндры, часто называют средним временем позиционирования.

^ Время ожидания - время, необходимое для прохода нужного сектора к головке, усредненный показатель – среднее время ожидания, получаемое как среднее от многочисленных тестовых проходов.

^ Время доступа - суммарное время, затрачиваемое на установку головок и ожидание сектора.

Среднее время доступа к данным - время, проходящее с момента получения запроса на операцию чтения/записи от контроллера до физического осуществления операции - результат сложения среднего время поиска и среднего времени ожидания.

^ Скорость передачи данных (пропускная способность) - определяет скорость, с которой данные считываются или записываются на диск после того, как головки займут необходимое положение. Различают две разновидности скорости передачи - внешняя и внутренняя.

^ Внешняя скорость передачи данных - с какой скоростью данные считываются из буфера, расположенного на накопителе в оперативную память компьютера.

Внутренняя скорость передачи данных - скорость передачи данных между головками и контроллером накопителя и определяет общую скорость передачи данных в тех случаях, когда буфер не используется или не влияет (когда загружается большой графический или видеофайл). Внутренняя скорость передачи данных очень зависит от частоты вращения шпинделя.

^ Размер кеш-буфера контроллера. Встроенный в накопитель буфер выполняет функцию упреждающего кэширования и призван сгладить большую разницу в быстродействии между дисковой и оперативной памятью компьютера. Выпускаются накопители с 128, 256 и 512 килобайтным буфером.

^ Средняя потребляемая мощность. Современные накопители на ЖМД потребляют от 5 до 15 Ватт.

Среднее время наработки на отказ - определяет сколько времени способен проработать накопитель без сбоев. Они приводят обычно среднюю условную наработку на отказ (расчетная статистическая величина).

^ Физический объем накопителей. Физический объем жестких дисков определен изначально и состоит из объема, занятого служебной информацией (разметка диска на дорожки и сектора) и объема, доступного пользовательским данным. Физический объем жесткого диска, также, зависит от типа интерфейса, метода кодирования данных, используемого физического формата и др.

^ Физическое хранение, методы кодирования информации. Вся информация и места ее хранения делятся на служебную и пользовательскую информацию. Служебная и пользовательская информация хранится в областях дорожек называемых секторами.

Методы кодирования данных.

^ Частотная модуляция (Frequency Modulation - FM) - метод, используемый в накопителях на сменных магнитных дисках (кодирование методом FM назвают кодирование с единичной плотностью).

^ Модифицированная частотная модуляция (Modified Frequency Modulation - MFM) - улучшенный метод FM.

Запись с групповым кодированием (Run Limited Length - RLL) - метод, полностью исключающий запись на диск каких-либо синхронизационных бит.

^ Модифицированная запись с групповым кодированием (Advanced Run Limited Length – ARLL) – улучшенный метод RLL, в котором, наряду с логическим уплотнением данных, производится повышение частоты обмена между контроллером и накопителем.

^ Интерфейсы жестких дисков.

В 80-х годах фирма IBM выпустила компьютер спецификации AT (Advanced Technology — передовая технология). Интерфейс появился в результате создания устройств со встроенным контроллером - IDE (Integrated Device Electronic).

Винчестер был подсоединен к 16-битной шине ISA и управлялся собственным контроллером.

Согласованный стандарт на такой интерфейс получил название ^ ATA (AT Attachment — подключение к AT).

В спецификации ATA фигурируют следующие компоненты:

  • хост - адаптер - средства сопряжения интерфейса ATA с системной шиной (в простейшем случае - набор буферных схем между шинами ISA и ATA) - хостом будем называть компьютер с хост-адаптером интерфейса ATA;

  • кабель-шлейф с двумя или тремя 40-контактными IDC-разъемами (рисунок 8.9). В стандартном кабеле одноименные контакты всех разъемов соединяются вместе;

  • ведущее устройство (Master) - периферийное устройство, в спецификации ATA официально называемое Device-0 (устройство-0);

  • ведомое устройство (Slave) - периферийное устройство, в спецификации официально называемое Device-1 (устройство-1).

Если к шине ATA подключено одно устройство, оно должно быть ведущим. Если подключены два устройства, одно должно быть ведущим, другое - ведомым.

Для подключения устройств IDE существует несколько разновидностей интерфейса:

  1. ^ ATA (AT Attachment), он же AT-BUS - 16-битный интерфейс подключения к шине компьютера AT (40-проводной сигнальный и 4-проводной питающий интерфейс, для миниатюрных (2,5" и меньших) накопителей используют 44-проводной кабель, по которому передается и питание).

  2. PC Card ATA - 16-битный интерфейс с 68-контактным разъемом PC Card (PCMCIA) для подключения к блокнотным ПК.

  3. XT IDE (8-бит), он же XT-BUS - 40-проводной интерфейс, похожий на ATA, но несовместимый с ним.

  4. MCA IDE (16-бит) - 72-проводный интерфейс, предназначенный специально для шины и накопителей PS/2.

  5. ATA-2 - расширенная спецификация ATA, объем диска до 8 Гбайт. Режим обмена данными - блоками Интерфейс остается 16-битным.

  6. Fast ATА. Отличается от АТА-2 отсутствием быстрых режимов обмена (РIO4 и MW2 DMA).

  7. Fast ATA-2 разрешает использовать Multiword DMA Mode 2 (13,3 Mбайт/с), не отличается от стандарта АТА-2. Отличия в том, что создан хост-адаптер Dual IDE/ATА, позволяющий использовать до четырех устройств.

  8. ATA-3 - расширение ATA-2. Включает средства парольной защиты, улучшенного управления питанием, самотестирования с предупреждением приближения отказа. По режимам обмена данными АТА-3 полностью соответствует АТА-2.

  9. ATA/ATAPI-ATAPI-4 - расширение ATA-3, включающее режим Ultra DMA со скоростью обмена до 33 Мбайт/с и пакетный интерфейс ATAPI. Жесткие диски ATA/ATAPI-4 выпускались под обозначением Ultra АТА-33.

  10. Стандарт ATA/ATAPI-5. Протокол Ultra АТА-66 нового стандарта оговаривал режим передачи данных со скоростью до 66 Мбайт/с (спецификация Ultra DMA mode 4). Для подключения дисков используют шлейфы (с чередованием сигнальных проводников и линий, замкнутых на «землю»), имеющие 80 проводников, совместимые с существующими 40-контактными разъемами IDE.

  11. Спецификация АТА/ATAPI-6, определяет требования к жестким дискам и интерфейсу с пиковой пропускной способностью до 100 Мбайт/с (режим Ultra DMA mode 5). Жесткие диски с интерфейсом АТА/ATAPI-6 обозначаются как ATА-100. Возможности дальнейшего совершенствования параллельного интерфейса IDE, несмотря на появление жестких дисков UltraATA-133 (пропускная способность 133 Мбайт/с в режиме UltraDMA Mode 5, объем накопителя в параллельном АТА ограничен 137 Гбайтами) практически исчерпаны.

  12. ^ E-IDE (Enhanced IDE) - расширенный интерфейс, введенный фирмой Western Digital. Реализуется в адаптерах для шин PCI и VLB, позволяющий подключать до 4 устройств (к двум каналам), включая CD-ROM и стриммеры (ATAPI). Поддерживает PIO Mode 3, multiword DMA mode 1, объем диска до 8 Гбайт, LBA и CHS. С аппаратной точки зрения практически полностью соответствует спецификации ATA-2.

Протоколы обмена данными пополнились новыми стандартами: режимом Ultra DMA mode 2 и режимом коррекции ошибок по контрольной сумме (CRC — Cyclic Redundancy Check). Кроме того, появились многозадачные режимы, то есть режимы параллельного выполнения команд и создания очередей двумя устройствами на одном канале IDE.

Для устойчивой работы в режиме Ultra DMA рекомендуется применение 80-проводных кабелей, обеспечивающих чередование сигнальных цепей и проводов схемной земли (GND). На 80-проводном кабеле в разъеме для подключения контроллера контакт 34 соединен с шиной GND и не соединен с проводом шлейфа; этим обеспечивается идентификация типа кабеля. Спецификация АТА узаконивает так же 4-контактный разъем питания (рисунок 1.27).




    а) б)

    а - интерфейсный;

    б - питания.

    Рисунок 1.27 - Разъемы интерфейса АТА (вилки на устройствах)


Спецификация на Serial ATA. Отличие нового интерфейса состоит в последовательном способе обмена данными. Данные передаются по восьмижильному кабелю, уровень сигналов составляет 3,3 В. Реализация интерфейса позволяет достичь пиковой пропускной способности 1,5 Гбит/с (примерно 187 Мбайт/с).

Последовательный интерфейс ATA, как и параллельный АТА, пред­назначен для подключений устройств внутри компьютера. Длина кабелей не превы­шает 1 м, при этом все соединения радиальные, каждое устройство подключается к хост-адаптеру своим кабелем.

Интерфейс SCSI является универсальным и определяет шину данных между центральным процессором и несколькими внешними устройствами, имеющими свой контроллер.

Сегодня применяются в основном два стандарта - SCSI-2 и Ultra SCSI. В режиме Fast SCSI-2 скорость передачи данных доходит до 10 мегабайт в секунду при использовании 8-разрядной шины и до 20 мегабайт при 16-разрядной шине Fast Wide SCSI-2. Стандарт Ultra SCSI отличается большей производительностью - 20 мегабайт в секунду для 8-разрядной шины и 40 мегабайт для 16-разрядной. В новейшем SCSI-3 увеличен набор команд, но быстродействие осталось на том же уровне. Все применяющиеся сегодня стандарты совместимы с предыдущими версиями сверху - вниз, то есть к адаптерам SCSI-2 и Ultra SCSI можно подключить старые SCSI-устройства. Интерфейс SCSI-Wide, SCSI-2, SCSI-3 - стандарты модификации интерфейса SCSI, разработаны комитетом ANSI. Общая концепция усовершенствований направлена на увеличение ширины шины до 32-х, с увеличением длинны соединительного кабеля и максимальной скорости передачи данных с сохранением совместимости с SCSI.

^ Работа накопителя. Процесс работы накопителя от запуска до остановки. При подаче питающих напряжений начинает работать микропроцессор контроллера. Вначале он, как и компьютер, выполняет самотестирование и в случае его успеха запускает схему управления двигателем вращения шпинделя. Диски начинают раскручиваться, увлекая за собой прилегающие к поверхностям слои воздуха, и при достижении некоторой скорости давление набегающего на головки потока воздуха преодолевает силу пружин, прижимающих их к дискам, и головки всплывают, поднимаясь над дисками на доли микрона. С этого момента, вплоть до остановки дисков, головки не касаются дисков и парят над поверхностями, поэтому ни диски, ни сами головки практически не изнашиваются. Тем временем, двигатель шпинделя продолжает раскручивать поверхности. Его скорость постепенно приближается к номинальной (тысячи оборотов в минуту). В это время накопитель потребляет максимум питающего напряжения и создает предельную нагрузку на блок питания компьютера по напряжению 12 Вольт. Поскольку в любой зоне дисков присутствует серворазметка, то сервоимпульсы начинают поступать с головок сразу же после начала вращения, и по их частоте контроллер судит о скорости вращения дисков. Система стабилизации вращения следит за потоком сервоимпульсов, и при достижении номинальной скорости происходит так называемый захват, при котором любое отклонение скорости вращения сразу же корректируется изменением тока в обмотках двигателя. После достижения шпинделем номинальной скорости вращения освобождается фиксатор позиционера головок чтения/записи, и система его управления проверяет способность поворачиваться и удерживаться на выбранной дорожке путем выборочного произвольного позиционирования. При этом делается серия быстрых поворотов в разные стороны, что на слух выглядит как характерное тарахтение, слышимое через несколько секунд после старта. Во время перемещения позиционера головок происходит слежение за поступающими с головок серво-импульсами, и система управления всегда знает, над сколькими дорожками прошли головки. Аналогично происходит и удержание головок над выбранной дорожкой - при отклонении от центра дорожки изменяется во времени величина и форма серво-импульсов. Система управления может ликвидировать отклонение, изменяя ток в обмотках двигателя позиционера головок. Во время тестирования привода головок заодно делается и его калибровка - подбор параметров управляющих сигналов для наиболее быстрого и точного перемещения позиционера при минимальном количестве промахов. Здесь нужно сказать, что микрокомпьютер ЖД, как и компьютер, имеет ПЗУ, в котором записана BIOS накопителя - набор программ для начального запуска и управления во время работы, и ОЗУ, в которое после раскрутки механической системы загружаются остальные части управляющих программ. Кроме всего прочего, в ОЗУ загружается так называемая карта переназначения дефектных секторов, в которой отмечены дефектные секторы, выявленные при заводской разметке дисков. Эти секторы исключаются из работы и иногда подменяются резервными, которые имеются на каждой дорожке и в специальных резервных зонах каждого диска. Таким образом, даже если диски и имеют дефекты (а при современной плотности записи и массовом производстве поверхностей носителей они имеют их всегда), для пользователя создается впечатление чистого диска, свободного от сбойных секторов. Более того - на каждом диске накопителя имеется некоторый запас резервных секторов, которыми можно подменить и появляющиеся впоследствии дефекты. Для одних накопителей это возможно сделать под управлением специальных программ, для других - автоматически в процессе работы.

При выключении питания двигатель шпинделя работает в режиме генератора, обеспечивая питание плат электроники на время, необходимое для корректного завершения работы. Прежде всего, блокируется подача тока записи в магнитные головки, чтобы они не испортили информацию на поверхностях, а остаток энергии подается в обмотки привода головок, толкая их к центру дисков (в этом движении головкам помогает и естественная скатывающая сила, возникающая при вращении дисков). Как правило, для того чтобы запарковать головки достаточно одной скатывающей силы. Дойдя до посадочной зоны, привод головок защелкивается магнитным или механическим фиксатором еще до того, как головки успеют коснуться поверхности в результате падения скорости вращения дисков. В этом и состоит суть автопарковки - любой исправный накопитель всегда запаркует головки, как бы внезапно не было выключено питание, однако, если в этот момент происходила запись информации, то для пользователя последствия могут быть весьма печальными из-за недописанных или необновленных, как областей данных, так и управляющих структур файловой системы ПК, независимо от типа и вида установленной ОС.

Структурная схема магнитного накопителя типа «винчестер». Типовая структурная схема винчестера показана на рисунке 1.28. Функции основных узлов электроники винчестера.




Рисунок 1.28 – Структурная схема жесткого магнитного диска

N-контроллер управляет ресурсами всех узлов и отвечает за механизм выбора головки. В N-контроллер входят следующие элементы – АЦП, сервоконтроллер, блок коррекции ошибок, форматтер.

АЦП декодирует информацию о местоположении головки в цифровой вид и передает ее сервоконтроллеру.

Сервоконтроллер содержит ЦАП и тем самым управляет широтно-импульсной модуляцией, тем самым отвечая за управление позиционированием головок относительно магнитных дисков.

Блок коррекции ошибок служит для коррекции возникающих ошибок.

Форматер управляет частью процесса чтения-записи контролируя сигналы Read и Write Gate.

Дисковый контроллер (контроллер интерфейса) отвечает за обмен данными с компьютером.

Микросхема чтения-записи работает под управлением контроллера диска и интерфейса, обеспечивает предкомпенсацию записываемых данных и работу канала чтения. Микросхема чтения-записи состоит из операционного усилителя, АЦП, детектора Виттерби.

Операционный усилитель принимает сигнал чтения, усиливает и передает на фильтр Баттерворта.

Предкомпенсатор осуществляет конечное преобразование данных перед записью их на магнитный диск. Преобразованные данные поступают на предусилитель записи и затем на записывающуюся головку.

АЦП осуществляет преобразование отфильтрованного сигнала при операции чтения в цифровую последовательность.

Детектор Виттерби преобразует данные с ЦАП в поток двоичной информации.


1.5 Сканеры

Назначение. Сканером называется устройство позволяющее вводить в компьютер образы изображений. Сканеры классифицируют по степени прозрачности вводимого оригинала изображения, по кинематическому механизму сканера (конструкции механизма движения), по типу вводимого изображения, по особенностям программного и аппаратного обеспечения сканера.

По данному критерию все существующие сканеры можно подразделить на черно-белые и цветные. Черно-белые в свою очередь могут подразделяться на штриховые и полутоновые (серые). Однако полутона изображения могут также эмулироваться.

Механизм движения. Определяющим фактором для данного параметра является способ перемещения считывающей головки сканера и бумаги относительно друг друга. Сканеры по этому критерию можно разбить на два типа: ручной (ширина вводимого изображения 10 см) и настольный.

Существует три разновидности настольных сканеров: планшетные, рулонные и проекционные.

^ Принцип работы и схемы сканеров. Черно-белые сканеры. Сканируемое изображение освещается белым светом, получаемым, как правилом от флюоресцентной лампы. Отраженный свет через редуцирующую (уменьшающую) линзу попадает на фоточувствительный полупроводниковый элемент, называемый Прибором с Зарядовой Связью - ПЗС. В основу ПЗС положена чувствительность проводимости р-n-перехода обыкновенного полупроводникового диода к степени его освещенности. На р-n-переходе создается заряд, который рассасывается со скоростью, зависящей от освещенности. Чем выше скорость рассасывания, тем больше ток через диод. Каждая строка сканирования изображения соответствует определенным значениям напряжения на ПЗС. Эти значения напряжения преобразуются в цифровую форму либо через аналого-цифровой преобразователь АЦП (для полутоновых сканеров), либо через компаратор (для двухуровневых сканеров). Компаратор сравнивает два значения (напряжение или ток) от ПЗС и опорное (рисунок 1.29), причем в зависимости от результата сравнения на его выходе формируется сигнал 0 (черный цвет) или 1 (белый).




Рисунок 1.29 - Структурная схема черно-белого сканера


Цветные сканеры. Сканируемое изображение освещается уже не белым светом, а через вращающийся RGB-светофильтр (рисунок 1.30).




Рисунок 1.30 - Блок- схема цветного сканера с вращающимся RGB - фильтром


Для каждого из основных цветов (красного, зеленого и синею) последовательность операций не отличается от последовательности операций при сканировании черно-белого изображения.

У сканер ScanJet Не фирмы Hewlett-Packard источник белого света освещает сканируемое изображение, а отраженный свет через редуцирующую линзу попадает на трехполосную ПЗС через систему специальных фильтров, которые и разделяют белый свет на три компонента: красный, зеленый и синий (рисунок 1.31).




Рисунок 1.31 - Структурная схема сканера с dichroic - фильтрами

^ Аппаратные интерфейсы сканеров. Для связи с компьютером сканеры могут использовать специальную 8- или 16-разрядную интерфейсную плату, вставляемую в соответствующий слот расширения. Кроме этого, в настоящее время достаточно широко используются стандартные интерфейсы, применяемые в IBM РС-совместимых компьютерах (последовательный и параллельный порты, а также интерфейс SCSI).


^ 1.6 Устройства графического ввода информации


Назначение и классификация устройств графического ввода информации. Устройства ввода графической информации характеризуются скоростью и точностью. Скорость определяется временем считывания и преобразования информации, а точность - способами отсчета текущих координат графического элемента и их реализацией.

Процесс ввода графической информации состоит из двух этапов: считывания и кодирования. Считывание графической информации сводится к определению координат графических элементов /точек, прямых, графических элементов/ в заданной системе координат. Кодирование считанной информации заключается в ее преобразовании в двоичный код по заранее установленным правилам с целью последующей обработки.

По степени автоматизации этапы считывания УВв графической информации (УВвГИ) делятся на автоматические, полуавтоматические и ручные.

Этап кодирования реализуется координатным, рецепторным и поэлементным методами кодирования.

^ Координатный метод заключается в том, что каждая точка графического примитива привязана к координатной сетке. После считывания он представляется массивом точек с координатами X и Y.

^ Рецепторный метод заключается в представлении графической информации в дискретном поле рецепторов в двоичном коде. Поле рецепторов - прямоугольная матрица размером m x n элементов, на которую проектируется графическое изображение. Элементы матрицы, на которое попало изображение, принимают значение кода "1", остальные - "0".

^ Метод поэлементного кодирования предполагает наличие описаний графических примитивов с помощью специальных графических языков.

Методы автоматического ввода графической информации. Автоматические УВвГИ строятся на оптических принципах считывания. В автоматических УВвГИ применяется матричный, следящий и сканирующий методы считывания.

^ Методы полуавтоматического ввода графической информации. Полуавтоматические УВвГИ получили наибольшее распространение в системах автоматизации проектирования в следствии высокой разрешающей способности. Данные устройства реализуются на электромеханическом, акустическом, электрическом принципах.

Измерение координат в УВвГИ электромеханического типа осуществляется с помощью преобразователей угловых или линейных перемещений /каретками Кх и Ку/, перемещающимися по координатам Х и У в поле документа. Акустический принцип ввода использует генерацию звуковых или ультразвуковых колебаний и изменение времени их распространения. Электрические принципы построения УВвГИ подразделяются на контактные, емкостные и индуктивные.

^ Работа устройства графического ввода. Устройство графического ввода предназначено для преобразования положения указателя /курсора/ в цифровой код и передачи его для последующей обработки на базе персональных ЭВМ (рисунок 1.32).




Рисунок 1.32 – Схема устройства графического ввода информации


1.7 Принтеры

Классификация. Классификация принтеров показана на рисунке 1.33.




Рисунок 1.33 - Классификация принтеров


Игольчатые принтеры. Достоинства этих принтеров - способность работы с любой бумагой, низкоя стоимостью печати и возможностью одновременной печати нескольких копий (рисунок 1.34).



Рисунок 1.34 - Устройство головки матричного принтера и внешний вид


Струйные принтеры. Качество печати струйного принтера немногим уступает качеству печати лазерных принтеров



Рисунок 1.35 – Устройство головки струйного принтера и внешний вид


^ Пьезоэлектрический метод. Для реализации этого метода в каждое сопло установлен плоский пьезокристалл, связанный с диафрагмой. Под воздействием электрического поля происходит деформация пьезоэлемента.  При печати находящийся в трубке пьезоэлемент, сжимая и разжимая трубку, наполняет капиллярную систему чернилами. Чернила, которые отжимаются назад, перетекают обратно в резервуар, а чернила, которые "выдавились" наружу, оставляют на бумаге точку.

^ Метод газовых пузырей. Второй способ базируется на термическом методе и больше известен под названием Bubblejet (инжектируемые пузырьки). При использовании этого метода каждое сопло оборудовано нагревательным элементом, который при пропускании через него тока за несколько микросекунд нагревается до температуры около 500°С. Возникающие при резком нагревании газовые пузыри (bubbles) стараются вытолкнуть через выходное отверстие сопла необходимую порцию (каплю) жидких чернил, которые переносятся на бумагу. При отключении тока нагревательный элемент остывает, паровой пузырь уменьшается и через входное отверстие поступает новая порция чернил.

^ Метод drop-on-demand. Третий метод, разработанный фирмой Hewlett-Packard, называется методом drop-on-demand. Так же как в методе газовых пузырей, здесь для подачи чернил из резервуара на бумагу используется нагревательный элемент.

Технология drop-on-demand обеспечивает наиболее быстрый впрыск чернил, что позволяет существенно повысить качество и скорость печати.

^ Твердочернильные принтеры. Принтеры на твердых красителях (твердочернильные) разрабатывались как цветные устройства и представляют собой принтеры расплавляющие твердые чернила и выстреливающие их подобно струйным на барабан, переносящий их на бумагу (рисунок 1.36).




Рисунок 1.36 - Твердочернильный принтер


Преимуществами принтеров на твердых красителях являются простота смены красителей – стержни красителей добавляются по мере надобности, малое количество (две) типов расходуемых компонент, против 5-12 для цветных 103 лазерных принтеров и возможность работы с высоким качеством цветопередачи на самых различных носителях, в том числе и на обычных слайдах для слайд-проекторов. Недостатки – недолговечность головок, обходимость постоянного подогрева красителя.

^ Термические принтеры. Технология термических принтеров основана на использовании механизма печати факсимильных аппаратов. Фактически большинство термических принтеров работают как факсимильные аппараты.

^ Сублимационные и термовосковые принтеры. Общим для сублимационной и термовосковой технологий является нагрев красителя и перенос его на бумагу (пленку) в жидкой или газообразной фазе. Многоцветный краситель, как правило, нанесен на тонкую лавсановую пленку толщиной 5 мкм. Пленка перемещается с помощью лентопротяжного механизма, который конструктивно похож на аналогичный узел игольчатого принтера. Матрица нагревательных элементов за 3 - 4 прохода формирует цветное изображение.

^ Лазерные принтеры. Доминирующими для лазерных принтеров являются электрофотографическая и светодиодная (LED, Light Emitting Diode) технологии. Электрофотографическая технология подобна используемой в копировальных аппаратах. В светодиодной технологии в качестве оптического устройства, формирующего изображение, используются светодиоды (исторически светодиодные принтеры относятся к классу лазерных). Светодиодная технология, как правило, находит применение в широкоформатных принтерах (до 36 дюймов). Электрофотографическая технология обычно используется в настольных и офисных лазерных принтерах.

Лазерные принтеры используют технологию фотокопирования, называемую еще электрофотографической, которая заключается в точном позиционировании точки на странице посредством изменения электрического заряда на специальной пленке из фотопроводящего полупроводника (рисунок 1.37).




Рисунок 1.37 - Структурная схема лазерного принтера


Светодиодные принтеры. В светодиодном принтере для засвечивания барабана вместо лазерного луча, управляемого с помощью системы зеркал, используется неподвижная светодиодная строка (линейка), состоящая из 2500 светодиодов, которой формируется не каждая точка изображения, а целая строка. На этом принципе, например, работают лазерные принтеры фирмы OKI.

^ Работа матричного принтера. Блок питания в принтерах представляют собой либо импульсные БП, либо БП с сетевым трансформатором. Блок питания принтера вырабатывает напряжение +5В для запитки всех цифровых схем, +12В для запитки интерфейсных схем при последовательном интерфейсе, +24В или +36В для запитки всех выходных усилителей мощности.

В качестве исполнительных устройств в матричном принтере используется:

  • шаговый двигатель каретки;

  • шаговый двигатель подачи бумаги;

  • соленоиды печатающей головки /ПГ/;

  • датчики левого края каретки, концевого контакта бумаги, рычага автозаправки бумаги;

  • зуммер конца бумаги;

  • клавиши, DIL-переключатели, индикаторы.

Для управления шаговыми двигателями и соленоидами используются транзисторные усилители мощности. Структурная схема матричного принтера представлена на рисунке 1.38.

Инициализация принтера. С приходом сигнала сброса принтер выполняет программу инициализации следующим образом:

  • очищаются все выходные порты в CPU и вызывается программа начального адреса;

  • очищаются порты при помощи аппаратного сброса в вентильной матрице /GATE ARRAY/, управляющие линии ПГ (печатающая головка) переходят в высокоомное состояние;

  • установка портов ввода/вывода и инициализация ШД (шаговый двигатель);

  • ШД переводится в режим удержания;

  • очищается память;

  • на ШД подаются сдвинутые по фазе сигналы и ШД перемещается в крайнюю левую позицию;

  • инициализируется вентильная матрица;

  • считывается состояние DIP переключателей, на интерфейсной плате;

  • определяется наличие бумаги и результат анализа посылается в вентильную матрицу;

  • переводит интерфейс в состояние ожидания (готовность к приему).




Рисунок 1.38 - Структурная схема матричного принтера
  1   2   3   4



Скачать файл (3127.5 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru