Основные функциональные узлы и принцип работы. Что такое CD-ROM Внешние устройства хранения информации
Основные функциональные узлы и принцип работы.
ТЕМА 3.3 Накопители на компакт – дисках
Существуют следующие носители на компакт-дисках (оптические):
¾ CD-ROM - устройство только для считывания информации
¾ CD-R – для считывания и однократной записи
¾ CD-RW – для считывания и многократной записи
¾ Магнитооптические накопители
Приводы: CD-R, CD-RW, CD-ROM, DVD-R, DVD-RW
Принцип действия всех оптических накопителей информации основан на лазерной технологии: луч лазера используется как для считывания так и для записи информации. Приводы CD-ROM.
Носители информации на диске CD-ROM является рельефная подложка. Запись информации представляет собой процесс формирование рельефа на подложке путем прожигания миниатюрных штрихов лазерным лучом. Считывание производится насчет регистрации отражения луча лазера. Сигнал от штриха 1, от поверхности без штриха 0.
Приводы CD-ROM
· Загрузочное устройство
· Оптико-механический блок
· Системы управления приводом и автономного регулирования
· Универсальный декодер
· Интерфейсный блок
Электромеханический привод приводит во вращение диск, помещенный в загрузочное устройство. Полупроводниковый лазер генерирует маломощный инфракрасный луч, который попадает на разделительную призму, отражается от зеркала и фокусируется на поверхности диска. К нужной дорожке луч перемещается следующим образом: сперва двигатель по ком от встроенного микропроцессора перемещает подвижную каретку с отражающим зеркалом и нужной дорожке. Отраженный луч фокусируется линзой, отражается от зеркала, попадает на разделительную призму, и направляет луч на вторую фокусируемую линзу, далее луч попадает на фотодатчик, преобразует световую энергию в электрические импульсы. Сигналы с фотодатчика поступают на универсальный декодер, который и необходим для преобразования импульсов в понятную компьютеру цифровую информацию, представляет собой процессор.
Система автономного слежения за поверхностью диска и дорожки записи данных обеспечивают высокую точность считывания информации. Сигнал с фотодатчика в виде импульсов поступает в систему автономного регулирования, где выделяются сигналы ошибок слежения. Эти сигналы с усилителя поступают в систему автономного регулирования: фокуса, системы автономного регулирования мощности излучаемого лазера, скорость вращения диска, радиальной подачи, мощность излучения лазера, линейной скорости вращения диска.
Накопители DVD
DVD-диски конструктивно выполняется односторонними и двусторонними.
В отличие от CD в DVD дисках расстояние между дорожками записи меньше и уменьшены размеры штрихов записи. В результате чего увеличена емкость. Количество изображений хранимых в формате DVD соизмеримо с качеством профессиональных студийных видеозаписей, а качество звука не уступает студийному.
Накопители с однократной и многократной записью
Для однократной записи используются диски CD-R, представляющие собой диск, регистрационный слой которого выполнен из материала темнеющего при нагревании. Темные и светлые участки CD-R аналогичны штрихам и ровным поверхностям CD-ROM.
CD-RW- перезаписываемые диски, регистрирующий слой которого выполнен из органических соединений, способных изменять свое фазовое состояние с аморфного на кристаллическое под воздействием лазерного луча.
При нагревании лазерным лучом выше некоторой критической температуры, материал регистрирующего слоя переходит в аморфное состояние и остается в нем после остывания. При нагревании до температуры значительно ниже критической восстанавливает свое первоначальное состояние (кристаллическое).
Лазерный луч Лазерный луч
Отражающий слой Регистрирующий слой
CD-ROM Защитный лаковый слой
Раздел 4. УСТРОЙСТВА ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
При массовом коммерческом производстве компакт-диски изготавливаются штамповкой или прессованием, а не выжиганием с помощью лазера, как многие считают (см. рисунок ниже). Хотя лазер и применяется для вытравливания данных на стеклянном мастер-диске, покрытом светочувствительным материалом, непосредственно выжигать диски при выпуске сотен или тысяч копий было бы, по меньшей мере, непрактично.
Ниже представлены основные этапы производства компакт-дисков.
Нанесение фоторезисторного слоя. Круглая пластина из полированного стекла диаметром 240 мм и толщиной 6 мм покрывается слоем фоторезистора толщиной около 150 микрон, после чего обжигается при температуре 80°С (176°F) в течение 30 минут.
1. Лазерная запись. Лазерный самописец (Laser Beam Recorder - LBR) посылает импульсы синего или фиолетового света, которые засвечивают и размягчают определенные участки фоторезисторного слоя стеклянного мастер-диска.
2. Формирование мастер-диска. Обработанный стеклянный диск погружается в раствор гидрооксида натрия (едкого натра), который растворяет экспонированные лазером участки, формируя тем самым впадины в фоторезисторном слое.
3. Электролитическое формование. С помощью процесса, называемого гальванопластикой, ранее подготовленный мастер-диск покрывается слоем никелевого сплава. В результате создается металлический мастер-диск, получивший название родительского диска (father).
4. Разделение мастер-диска. Затем металлическая матрица отделяется от стеклянного мастер-диска. Она представляет собой металлический мастер-диск, который уже может использоваться для изготовления небольших партий дисков, так как матрица изнашивается очень быстро. Разделение мастер-диска зачастую приводит к повреждению стеклянной основы, поэтому методом гальванопластики создается еще несколько негативных копий диска (которые называются материнскими). Негативные копии мастер-диска впоследствии применяются для создания рабочей матрицы, используемой в процессе массового тиражирования компакт-дисков. Это позволяет штамповать большое количество дисков без повторения процесса формирования стеклянного мастер-диска.
5. Штамповка диска. Металлическая рабочая матрица применяется в литейной машине для формирования принципа отображения данных (впадин и площадок) в расплавленной поликарбонатной массе объемом около 18 граммов при температуре 350°C (или 662°F). При этом сила давления достигает примерно 20000 фунтов на квадратный дюйм. Как правило, в современных термических штамповочных прессах на изготовление каждого диска уходит не более трех секунд.
6. Металлизация. Для создания отражательной поверхности на отштампованный диск посредством напыления наносится тонкий (0,05–0,1 микрона) слой алюминия.
7. Защитное покрытие. Для защиты алюминиевой пленки от окисления на металлизированный диск с помощью центрифуги наносится тонкий (6–7 микрон) слой акрилового лака, затвердевающего под действием ультрафиолетовых лучей.
8. Конечный продукт. В завершение на поверхность диска методом трафаретной печати наносится текст этикетки или какое-либо изображение, также высыхающее под действием ультрафиолетовых лучей.Процесс изготовления дисков данных CD-ROM и музыкальных компакт-дисков практически одинаковCD-ROM (англ. Compact Disc Read-Only Memory , читается: «сиди́-ром») - разновидность компакт-дисков с записанными на них данными, доступными только для чтения (read-only memory - память «только для чтения» ). CD-ROM - доработанная версия CD-DA (диска для хранения аудиозаписей), позволяющая хранить на нём прочие цифровые данные (физически от первого ничем не отличается, изменён только формат записываемых данных). Позже были разработаны версии с возможностью как однократной записи (CD-R), так и многократной перезаписи (CD-RW) информации на диск. Дальнейшим развитием CD-ROM-дисков стали дискиDVD-ROM.Диски CD-ROM - популярное и самое дешёвое средство для распространения программного обеспечения, компьютерных игр,мультимедиа и прочих данных. CD-ROM (а позднее и DVD-ROM) стал основным носителем для переноса информации междукомпьютерами, вытеснив с этой роли флоппи-диск (сейчас он уступает эту роль более перспективным твердотельным носителям).Формат записи на CD-ROM также предусматривает запись на один диск информации смешанного содержания - одновременно как компьютерных данных (файлы, ПО, чтение доступно только на компьютере), так и аудиозаписей (воспроизводимых на обычномпроигрывателе аудио компакт-дисков), видео, текстов и картинок. Такие диски, в зависимости от порядка следования данных, называются усовершенствованными
Зачастую термин CD-ROM ошибочно используют для обозначения самих приводов (устройств) для чтения этих дисков (правильно -CD-ROM Drive , CD-привод).
28. Принцип действия струйной печати с электростатическим управлением. Достоинства и недостатки.
Принтер с непрерывной подачей чернил. Жидкость встряхивается вибратором для предотвращения осадка. Капля направляется либо на бумагу, либо продолжает дальше циркулировать (в зависимости от управляющих сигналов). Жидкость подаётся под давлением, дробится на капли, они заряжаются и управляются электродами.
Достоинства: Отсутствие соединительных разъемов и кабелей;Бесшумность работы;Высокое качество печати;Непрерывность подачи чернил;Нет нагревания.
Недостатки: Низкая скорость передачи данных;Необходимость установки принтера;Невысокая скорость печати
29. Интерфейс SATA. Архитектура, характеристики. ATA (англ. Serial ATA ) - последовательный интерфейс обмена данными с накопителями информации. SATA является развитием параллельного интерфейса ATA (IDE), который после появления SATA был переименован в PATA (Parallel ATA).SATA-устройства используют два разъёма: 7-контактный (подключение шины данных) и 15-контактный (подключение питания). Стандарт SATA предусматривает возможность использовать вместо 15-контактного разъёма питания стандартный 4-контактный разъём Molex.
Использование одновременно обоих типов силовых разъёмов может привести к повреждению устройства. Интерфейс SATA имеет два канала передачи данных, от контроллера к устройству и от устройства к контроллеру. Для передачи сигнала используется технология LVDS, провода каждой пары являются экранированными витыми парами.
Существует также 13-и контактный совмещённый разъем SATA применяемый в серверах, мобильных и портативных устройствах для тонких накопителей. Состоит совмещенный разъем из 7-и контактного разъема для подключения шины данных и 6-и контактного разъёма для подключения питания устройства. Для подключения к данным устройствам в серверах может применяться специальный переходник.
30. Плазменные панели. Принцип действия, характеристики.Газоразрядный экран (также широко применяется английская калька «плазменная панель») - устройство отображения информации, монитор, основанный на явлении свечения люминофора под воздействием ультрафиолетовых лучей, возникающих при электрическом разряде в ионизированном газе, иначе говоря в плазме. Работа плазменной панели состоит из трех этапов:инициализация, в ходе которой происходит упорядочивание положения зарядов среды и её подготовка к следующему этапу(адресации). При этом на электроде адресации напряжение отсутствует, а на электрод сканирования относительно электрода подсветки подается импульс инициализации, имеющий ступенчатый вид. На первой ступени этого импульса происходит упорядочивание расположения ионной газовой среды, на второй ступени разряд в газе, а на третьей - завершение упорядочивания.адресация, в ходе которой происходит подготовка пикселя к подсвечиванию. На шину адресации подается положительный импульс (+75 В), а на шину сканирования отрицательный (-75 В). На шине подсветки напряжение устанавливается равным +150 В.подсветка, в ходе которой на шину сканирования подается положительный, а на шину подсветки отрицательный импульс, равный 190 В. Сумма потенциалов ионов на каждой шине и дополнительных импульсов приводит к превышению порогового потенциала и разряду в газовой среде. После разряда происходит повторное распределение ионов у шин сканирования и подсветки. Смена полярности импульсов приводит к повторному разряду в плазме. Таким образом, сменой полярности импульсов обеспечивается многократный разряд ячейки.Один цикл «инициализация - адресация - подсветка» образует формирование одного подполя изображения. Складывая несколько подполей можно обеспечивать изображение заданной яркости и контраста. В стандартном исполнении каждый кадр плазменной панели формируется сложением восьми подполей.Таким образом, при подведении к электродам высокочастотного напряжения происходит ионизация газа или образование плазмы. В плазме происходит емкостной высокочастотный разряд, что приводит к ультрафиолетовомуизлучению, которое вызывает свечение люминофора: красное, зелёное или синее. Это свечение проходя через переднюю стеклянную пластину попадает в глаз зрителя.Хар-ки:разрешщение,соотношение сторон, контрастность в люмен, Разъемы и порты.
31. Устройства чтения электронных книг. Принцип действия, характеристики.
Основой (подложкой) экрана является стеклянная (для моделей E-ink Vizplex, Pearl, Karta, Triton) или пластиковая (для модели E-ink Mobius или E-ink Flex) пластина, толщиной чуть менее половины миллиметра. На ней располагаются нижние электроды, над которыми расположен слой специальных прозрачных микрокапсул. Диаметр каждой из микрокапуул приблизительно равен диаметру человеческого волоса. Микрокапсула это и есть минимально возможная точка на e-ink экране.
Дисплей e-ink Vizplex
Над микрокапсулами расположены верхние прозрачные электроды, прикрепленные к верхней защитной пластине экрана. Эта пластина изготавливается из прозрачной пластмассы. По контуру дисплея подложка и верхняя пластина скреплены герметиком.
Внутрь каждой микрокапсулы помещены специальные микрогранулы - мельчайшие частицы порошка разного цвета. В черно - белых экранах они бывают двух цветов - черные и белые. В цветных экранах применяются микрогранулы и других цветов. Об их колическтве и цвете производители не сообщают. Основной особенностью белых микрогранул является способность притягиваться к электроду при подаче на него отрицательного потенциала, а черных - при подаче положительного.
При всплывании на поверхность микрокапсулы белых микрогранул верхняя поверхность ее окрашивается в белый цвет, при всплывании черных - в черный. Если у поверхности доля белых и черных микрогранул равны - цвет такой капсулы будет серым. Современные e-ink дисплеи моделей Vizplex, Pearl, Karta, E-ink Mobius могут воспроизводить 16 оттенков цвета от белого до черного.
После того, как напряжение с электродов снимается микрогранулы в микрокапсуле так и остаются в том же положении, которое они приняли под действием электрического поля. То есть сам e-ink экран потребляет энергию только в момент смены на нем изображения.
32. Интерфейс IEEE1394 .Архитектура, характеристики.
IEEE 1394 (FireWire, i-Link) - последовательная высокоскоростная шина, предназначенная для обмена цифровой информацией между компьютером и другими электронными устройствами.
Кабель представляет собой 2 витые пары - А и B, распаянные как A к B, а на другой стороне кабеля как B к A. Также возможен необязательный проводник питания.
Устройство может иметь до 4 портов (разъёмов). В одной топологии может быть до 64 устройств. Максимальная длина пути в топологии - 16. Топология древовидная, замкнутые петли не допускаются.
При присоединении и отсоединении устройства происходит сброс шины, после которого устройства самостоятельно выбирают из себя главное, пытаясь взвалить это «главенство» на соседа. После определения главного устройства становится ясна логическая направленность каждого отрезка кабеля - к главному или же от главного. После этого возможна раздача номеров устройствам. После раздачи номеров возможно исполнение обращений к устройствам.
Во время раздачи номеров по шине идет трафик пакетов, каждый из которых содержит в себе количество портов на устройстве, а также ориентацию каждого порта - не подключен/к главному/от главного, а также максимальную скорость каждой связи (2 порта и отрезок кабеля). Контроллер 1394 принимает эти пакеты, после чего стек драйверов строит карту топологии (связей между устройствами) и скоростей (наихудшая скорость на пути от контроллера до устройства).
Операции шины делятся на асинхронные и изохронные.
Асинхронные операции - это запись/чтение 32-битного слова, блока слов, а также атомарные операции. Асинхронные операции используют 24-битные адреса в пределах каждого устройства и 16-битные номера устройств (поддержка межшинных мостов). Некоторые адреса зарезервированы под главнейшие управляющие регистры устройств. Асинхронные операции поддерживают двухфазное исполнение - запрос, промежуточный ответ, потом позже окончательный ответ.
Изохронные операции - это передача пакетов данных в ритме, строго приуроченном к ритму 8 КГц, задаваемому ведущим устройством шины путем инициации транзакций «запись в регистр текущего времени». Вместо адресов в изохронном трафике используются номера каналов от 0 до 31. Подтверждений не предусмотрено, изохронные операции есть одностороннее вещание.
Изохронные операции требует выделения изохронных ресурсов - номера канала и полосы пропускания. Это делается атомарной асинхронной транзакцией на некие стандартные адреса одного из устройств шины, избранного как «менеджер изохронных ресурсов».
Помимо кабельной реализации шины, в стандарте описана и наплатная (реализации неизвестны).
33. Технологии изготовления ЖК-экранов. Активная и пассивная матрица. Интерфейсы для подключения.
Активная и пассивная матрица. Интерфейсы для подключения. Технологии ЖК матриц:Все матрицы можно разделить на активные и пассивные. Пассивные матрицы Состоят из отдельных ячеек, объединенные в прямоугольную сетку, на которую подается управляющее напряжение. Электроемкость каждой ячейки требует определенного времени на перезарядку, в результате чего изображение выводится длительное время. Для предотвращения мерцания используется медленные ЖК. Активная матрица. В активных матрицах, так же как и в пассивных матрицах на каждую ячейку приходится один электрод. Но, каждый пиксель экрана имеет еще дополнительный усилитель, который снижает время переключения напряжения на электроде, более того благодаря прикрепленному на каждой ячейке транзистору, матрица запоминает состояние всех элементов экрана, и сбрасывает его только в момент получения команды на обновление (refresh).Такая матрица действует по принципу Оперативной памяти. Это на данный момент самый распространенный тип ЖК матриц. Эта технология основана на объединении двух разных технологий в одну.Технология TN:Когда транзистор находится в выключенном состоянии и не создает электрического поля, ЖК молекулы находятся в своем нормальном состоянии и выстроены так чтобы менять угол поляризации проходящего через них цвета на 90 градусов. Это происходит благодаря тому что молекулы находятся в скрученном состоянии относительно друг друга по спирали.Когда транзистор генерирует электрическое поле, все молекулы ЖК выстраиваются в линии параллельные углу поляризации.
34. Сенсорные емкостно - резистивные экраны. Принцип действия, достоинства и недостатки.
Принцип работы подобных дисплеев является простым, и он в какой-то степени похож на матричный. В этом случае проводники заменяют специальными инфракрасными лучами. Вокруг данного экрана проходит рамка, в которой есть встроенные излучатели, а также приемники. Если нажать на экран, то некоторые лучи будут перекрываться, и они не могут достигнуть собственного пункта назначения, а именно приемника. В итоге контроллер вычисляет место контакта. Подобные экраны могут пропускать свет, они долговечны, поскольку чувствительного покрытия нет и механического касания не происходит вообще. Однако такие дисплеи в настоящий момент не отвечают высокой точности и боятся любых загрязнения. Зато время диагональ рамки такого дисплея может достигать 150 дюймов.
Проекционно-емкостная технология.
Устройство состоит из двух стеклянных подложек на которые наносятся два слоя электродов разделенные диэлектриком и образуют решетку используется переменное напряжение. И в точке касания фиксируется изменение емкости.
Достоинства: работоспособность при низких температурах, высокое свето-пропускание, поддерживает технологию multi touch.
Недостаток: необходим токопроводящий предмет.
35. Принцип действия модема. Характеристики.
Модем обеспечивает преобразование цифр сигнала в переменный ток частоты диапозона – это процесс модуляции, а так же обратное преобразование демодуляция.
Модуляция процесс изменения одного либо нескольких параметров выходного сигнала по закону входного сигнала. При этом входной сигнал является, как правило цифровым и назначается модулирующим. Выходной сигнал обычно аналоговый и часто носит название модулированного сигнала.
Классификация модемов:
1. По типу используемого канала
2. По скорости
3. По области применения
4. По исполнению
5. По средствам управления
Основные виды модуляции:
1. Фазовая. При фазовой модуляции логической единицей или нулю отвечают сигналы одинаковой амплитуды и частоты, но различные по фазе. Фаза несущей изменяется скачкообразно, при переходе очередного дискретного сигнала в отличии от предыдущего.
2. Амплитудная модуляция. При амплитудной модуляции изменяется только амплитуда несущей
3. Частотная модуляция. Для логической единицы и логического нуля выбираются синусоиды двух разных частот.
36. Методы модуляции сигналов для передачи по каналам связи.
Методы модуляции сигнала:
Каким же образом модему удается передавать последовательность двоичных бит по телефонным линиям?
Предназначенные для передачи речи линии имеют ограниченную полосу пропускания: фактически - не более 3 кГц. Это означает, что через такую линию нельзя передавать сигналы, частота которых превышает 3 кГц. Существует и нижняя граница рабочего диапазона частот телефонной линии - несколько десятков герц.
Чтобы передавать данные по телефонным линиям, можно использовать старые испытанные методы модуляции аналоговых сигналов, возможно, известные Вам из институтского курса радиотехники. По телефонной линии передается так называемый несущий сигнал, частота которого не выходит за пределы полосы пропускания линии. Ему сопутствует информационный сигнал, который несколько меняет характеристики несущего сигнала (амплитуду, частоту и фазу). На приемной стороне они отделяются друг от друга при помощи операции, называемой детектированием.
Амплитудная модуляция
Амплитудная модуляция основана на изменении амплитуды несущего сигнала передаваемым сигналом. Она используется до сих пор в радиовещании на средних и длинных волнах.
По телефонной линии передается сигнал синусоидальной формы, имеющей частоту, например, 1 кГц: единице соответствует сигнал с большой амплитудой, а нулю - с маленькой.
Такой сигнал можно передавать по телефонным линиям, однако, его форма (несущая информацию о передаваемых данных) подвержена искажениям из-за помех на линии. В результате этот метод используют только для передачи данных с очень низкой скоростью - порядка нескольких десятков бит/с.
Частотная модуляция
Частотная модуляция применяется для радиовещания в ультракоротковолновом диапазоне. При детектировании сигнала с частотной модуляцией амплитуда сигнала невелика, поэтому большинство помех не влияет на качество сигнала. Если Вы хотите почувствовать это, сравните качество радиопередач в длинноволновом диапазоне LW (где применяется амплитудная модуляция) и в ультракоротковолновом диапазоне FM с частотной модуляцией.
Для использования частотной модуляции для передачи двоичных данных кодируют нулевое значение тоном с частотой, например, 1 кГц, а единичное - тоном с частотой 2 кГц.
Частотная модуляция обеспечивает лучшую защиту от помех по сравнению с амплитудной модуляцией, однако скорость передачи этим методом все же не превышает 1 200 бит/с. Ограничивающий фактор - узкая полоса пропускания телефонных линий связи.
Фазовая модуляция
Несколько лучших результатов удалось добиться после применения так называемой фазовой модуляции. При этом частота сигнала остается постоянной, а модуляция выполняется при помощи фазового сдвига сигнала (рис. 2-8). Ширина полосы пропускания при этом не является критически важной, поэтому такой метод обеспечивает скорость передачи данных порядка 4 800 бит/с.
Квадратурная амплитудно-фазовая модуляция
Тем не менее и скорость, равная 4 800 бит/с, совершенно недостаточна. Чтобы выжать из узкополосного телефонного канала все, на что он способен, была «придумана» квадратурная амплитудно-фазовая модуляция, представляющая собой, по сути, комбинацию амплитудной и фазовой модуляции: каждому передаваемому значению ставится в соответствие определенная комбинация амплитуды сигнала и фазового сдвига.
Здесь цифровому значению v1 ставится в соответствие амплитуда сигнала a1 и фаза f1. В каждый данный момент времени через аналоговый канал передается одно из дискретных значений, определяемых конкретной амплитудой и фазой. Так как и амплитуда, и фаза могут принимать положительные и отрицательные значения, точки всех возможных передаваемых цифровых значений располагаются во всех четырех квадрантах координатной плоскости, показанной на рис. 2-9. Возможно, именно поэтому данный вид модуляции и получил название квадратурной амплитудно-фазовой модуляции.
Так или иначе, с применением квадратурной амплитудно-фазовой модуляции модемы стали способны передавать данные с относительно большой скоростью - до 33 600 бит/с. Что же касается дальнейшего наращивания скорости, то, казалось бы, все возможности уже исчерпаны. Однако нет, был найден еще один резерв.
37. Основные конструктивные компоненты HDD. Основные характеристики НDD.
Основные компоненты накопителей HDD
К основным элементам конструкции относятся диски, головки чтения/записи, механизм привода головок, двигатель привода диска, печатная плата со схемами управления, кабели и разъёмы и элементы конфигурации (перемычки, переключатели).
Диски существуют следующих размеров: 5,25”; 3,5”; 1,8”; 1”; Compact Flash Type ІІ, PC Card Type ІІ.
Покрытие дисков
1. Оксидный слой – полимерное покрытие с наполнителем из окиси железа.
2. Тонкоплёночный слой – сплав кобальта, методом напыления или гальванизации.
3. Двойной антиферромагнитный (AFC) – состоит из 2х слоёв, разделённых тонкой плёнкой рутения более толстые магнитные слои.
Головки чтения/записи.
Каждая головка с помощью пружины прижимается к диску и все головки прижимаются одновременно. Зазор 0,4 мкдюймов или 10нм.
Механизм привода головок
1. Шаговый двигатель – электродвигатель ротор которого поворачивает блок головок на определённый угол.
2. Двигатель с подвижной катушкой. Подвижная катушка закреплена с блоком головок и находится в поле постоянного магнита. Перемещение катушки смещает блок головок от воздействия протекающего тока.
В двигателе с подвижной катушкой используется система сервопривода. Для двигателя с подвижной катушкой различают механизмы:
a) Линейный – блок головок, перемещающихся по радиусу диска вместе с рычагом.
b) Поворотный - к подвижной катушке крепятся рычаги головок, которые поворачиваются на угол азимута.
Сервопривод
Способы построения петли обратной связи:
I. Со вспомогательным клином – информация записывается вузком секторе каждого цилиндра перед индексной меткой (считывается 1 раз за оборот).
II. Со встроенными кодами – улучшенный вариант вспомогательного клина. Информация записывается вначале каждого цилиндра и сектора.
III. Специализированный диск – информация записывается на рабочей поверхности выделенного диска. Сервоголовка Толька в режиме чтения. Информация считывается постоянно.
Назначение: Корректировка положения головок, записывается в коде Грея. при переходе от 1 числа к следующему изменяется только 1 двоичный код.
Для точной установки головки используется лазерный прицел, а расстояние определяется методом интерференции. Для отслеживания используется температурная калибровка – все головки поочерёдно переводятся с 0 на любой цилиндр. Поправки записываются в память накопителя. При калибровке все обмены и процессы прекращаются. У многих накопителей есть поддержка AIV. Калибровка запускается после обмена данных. Свипирование диска осуществляет автоматическое перемещение головки на случайно выбранную дорожку.
Воздушные фильтры
Фильтры рециркуляции в блоке HAD для очистки внутренней атмосферы.
Барометрический фильтр предназначен для выравнивания давления изнутри и снаружи блока для поддержания воздушного зазора и рабочей поверхности.
Уровень моря (-300м до 3000м)
При перепадах температур необходима акклиматизация. (+4 необходима акклиматизация 14 часов).
Шпиндельный двигатель.
Предназначен для вращения диска и находится на 1ой оси 12 Вольт напряжение. Дополнительно к шариковым подшипникам используется высокопластичная смазка.
Плата управления
В гермо блоке находится контроллер, предварительные усилители шума, коммутаторы, формирователи сигналов.
Основные элементы блока контроллера:
1. Управляющий микроконтроллер - 8 или 16 разрядный контроллер назначения обеспечивает взаимодействие всех блоков накопителей и связь с внешним интерфейсом.
2. Буферная память до 10 Мбайт. используется для кеширования и записи поправок.
3. Блок управления шпиндельным двигателем.
4. Блок управления позиционированием. Формирует импульсы для перехода от цилиндра к цилиндру.
5. Коммутатор головок для формирования тока записи и передаваемым усилителем считывания.
6. Канал чтении/записи – это цепи, выделяющие из сигнала импульсы синхронизации и формирующие сигналы записи.
7. Директор сервометок – выделяет сервокоды.
8. Контроллер жёсткого диска HDC. Выполняет основные функции, связанные с считыванием и записью данных.
Кабели и разъёмы
Интерфейс: 40, 50, 80 контактный.
Разъём питания стандартный, разъём для заземления.
Для накопителей внешних устройств используются шины USB, Fire Wire, Fibre Channel, LPT-порт.
Основные характеристики HDD:
Форматированная емкость представляет собой объем хранимой полезной информации - то есть сумму полей данных всех доступных секторов. Неформатированная емкость представляет собой максимальное количество битов, записываемых на всех треках диска, включая и служебную информацию (заголовки секторов, контрольные коды полей данных). Соотношение форматированной и неформатированной емкостей определяется форматом трека.
Скорость вращения шпинделя, измеряемая в оборотах в минуту, позволяет косвенно судить о про-изводительности (внутренней скорости).
Интерфейс определяет способ подключения накопителя.
Объем буферной памяти, возможности кэширования (чтение, запись, мно-госегментность, адаптивность).
Параметры внутренней организации:
Количество физических дисков или рабочих поверхностей, используемых для хранения данных. Современные накопители с небольшой высотой имеют малое (1-2) количество дисков для облегчения блока головок. Большее число дисков (и большая высота) характерно для старых накопителей и современных накопителей большой емкости.
Количество физических головок чтения-записи, естественно, совпадающее с числом рабочих поверхностей. Заметим, что число головок (и рабочих поверхностей) может быть и меньше удвоенного числа дисков - обычно в каждом семействе есть такого рода модели. Это делается для утилизации дисков, у которых одна из поверхностей оказывается с производственным браком, или исходя из других технологических соображений.
Физическое количество цилиндров от нескольких сотен, характерных для первых винчестеров, возросло до десятков тысяч.
Размер сектора обычно составляет 512 байт.
Количество зон и количество секторов на треке в крайних зонах.
Расположение сервометок или сервоголовок может быть на выделенной поверхности, на рабочих поверхностях или гибридным
Метод кодирования-декодирования может быть МFМ, RLL, PRML.
Надежность устройства и достоверность хранения данных характеризуются следующими параметрами:
Ожидаемое время до отказа, измеряемое в сотнях тысяч часов, является, естественно, среднестатистическим показателем для данного изделия.
Более ценным для пользователя является гарантийный срок, в течение которого изготовитель (или поставщик) обеспечивает ремонт или замену отказавшего устройства.
Вероятность неисправимых ошибок чтения для современных винчестеров имеет порядок одной ошибки на 1014 считанных битов.
Вероятность исправимых ошибок имеет порядок единицы на 10й считанных битов.
Вероятность ошибок поиска характеризует качество сервосистемы. Для современных винчестеров характерна вероятность одной ошибки на 108 операций поиска. Эти ошибки (при малом их числе) вполне безобидны, поскольку наличие номера цилиндра в заголовке каждого сектора не позволяет «промахнуться» при выполнении операций чтения или записи. Повторение операции поиска только слегка снижает среднее время доступа.
38. Понятие 3D – конвейера. Понятие «трехмерная графика».
3D-конвейер
Все трехмерные объекты определяются с помощью математической модели - именно она является "отправной точкой" в последовательности получения изображения на экране, называемой 3D-конвеером (3D Pipeline).
Конвейер состоит из следующих стадий:
1. Определение состояния объектов (Situation modeling) - эта часть программы не имеет прямого отношения к компьютерной графике, она моделирует тот мир, который будет отображаться в дальнейшем. Например в случае Quake это - правила игры и физические законы перемещения игрока, искусственный интеллект монстров и т.д.
2. Определение соответствующих текущему состоянию геометрических моделей (Geometry generation) - эта часть конвейера создает геометрическое представление текущего момента нашего маленького "виртуального мира".
3. Разбиение геометрических моделей на примитивы (Tesselation) - эта первая действительно зависимая от аппаратуры стадия. На ней создается внешний вид объектов в виде набора определенных примитивов, разумеется, на основе информации из предыдущего шага конвейера. Наиболее распространенным примитивом в наше время является треугольник, и большинство современных программ и ускорителей работают именно с треугольниками. На треугольники всегда можно разбить любой плоский многоугольник, и именно тремя точками можно однозначно задать плоскость в пространстве.
4. Привязка текстур и освещения (Texture and light definition) - на этой стадии определяется, как будут освещены геометрические примитивы (треугольники), а также какие и как на них в дальнейшем будут наложены текстуры (Textures: изображения, передающие внешний вид материала объекта, т.е. негеометрическую визуальную информацию. Хороший пример текстуры - песок на абсолютно ровном пляже). Как правило, на этой стадии информация вычисляется только для вершин примитива.
5. Видовые геометрические преобразования (Projection) - здесь определяются новые координаты для всех вершин примитивов исходя из положения наблюдателя и направления его взгляда. Сцена как бы проецируется на поверхность монитора, превращаясь в двухмерную, хотя информация о расстоянии от наблюдателя до вершин сохраняется для последующей обработки.
6. Отбрасывание невидимых примитивов (Culling) - на этой стадии из списка примитивов исключаются полностью невидимые (оставшиеся позади или сбоку от зоны видимости).
7. Установка примитивов (Setup) - здесь информация о примитивах (координаты вершин, наложение текстур, освещение и т.д.) преобразуется в вид, пригодный для последующей стадии. (Например: координаты точек буфера экрана или текстур - в целые числа фиксированного размера, с которыми работает аппаратура).
8. Закраска примитивов (Fill) - на этой стадии, собственно, и происходит построение в буфере кадра (памяти, отведенной под результирующее изображение) картинки на основе информации о примитивах, сформированной предыдущей стадией конвейера, и прочих данных. Таких, как текстуры, таблицы тумана и прозрачности и пр. Как правило, на этой стадии для каждой точки закрашиваемого примитива определяется ее видимость, например, с помощью буфера глубин (Z-буфера) и, если она не заслонена более близкой к наблюдателю точкой (другого примитива), вычисляется ее цвет. Цвет определяется на основе информации об освещении и наложении текстур, определенной ранее для вершин этого примитива. Большинство характеристик ускорителя, которые можно почерпнуть из его описания, относятся именно к этой стадии, так как в основном именно эту стадию конвейера ускоряют аппаратно (в случае недорогих и доступных плат).
9. Финальная обработка (Post processing) - обработка всей результирующей картинки как единого целого какими-либо двумерными эффектами.
Некоторые стадии конвейера могут быть переставлены местами, разбиты на части или совмещены. Во-вторых, они могут отсутствовать вообще (редко) или могут появится новые (часто). И, в-третьих, результат работы каждой из них может быть послан (в обход других стадий) обратно. Например, картинку, полученную на последней стадии, можно использовать как новую текстуру для 8-ой, реализуя таким образом эффект отражающих поверхностей (зеркал).
39. Проекторы. Принцип действия. Характеристики.
Мультимедийный проектор представляет собой автономный оптический прибор, который создает плоское изображение на большом экране с помощью проецирования на экран информации, поступающий в проектор. Источником выводимой информации для современных мультимедийных проекторов может служить практически что угодно, это и видео-проигрыватели, компьютеры, внешние жесткие диски, флеш-накопители, смартфоны, планшеты и другая электроника. На сегодняшний день на рынке представлено множество моделей, от бюджетных стоимостью 10 тысяч рублей, до дорогих премиум устройств ценой в несколько тысяч долларов.
Виды проекторов
Характеристики:
1 Размер матрицы, а таже ее физ размер
3.Технология (DLP, LCD)
4. Интерфейс (fiwi ,Ethernet
5.вес проектора
Мультимедийные проекторы можно разделить на несколько категорий:
Профессиональные решения для индустрии развлечений, кинотеатров, крупных презентаций. Это дорогие, высокотехнологичные устройства, больших размеров.
Проекторы для бизнеса и образования - это устройства с высокими характеристиками и рассчитанные на высокую нагрузку и постоянную работу.
Мультимедийные проекторы для дома - применяются для создания домашних кинотеатров, для игр и развлечений. Это самые недорогие устройства, доступные большинству покупателей, но в тоже время удовлетворяющие все необходимые требования к качеству.
40. Устройство видеозахвата. Принцип действия. Характеристики.
Видеозахватом называют процесс преобразования аналогового видео в цифровой вид с последующим его сохранением на цифровом носителе информации. Самый типичный пример видеозахвата - оцифровка телеэфира или VHS кассеты на специально оборудованном ПК. Video декодер: прием сигнала, его оцифровку, цифровое декодирование в формат YUV и передача сигнала видеоконтроллеру. Video контроллер: преобразует сигнал в RGB, организует хранение в буфере памяти, пересылку данных в ЦАП, формирует живое TV кино после обратного аналогового преобразования цифрового захваченного изображения, передача VGA сигнала от видеоадаптера.Функции видеобластера.1. Прием низкочастотных сигналов.2. Отображение принимаемого видео в окне.3. Замораживание кадра.4. Сокращение кадра в графических стандартах (TIF, PCX, IGA,GIF).Характеристики видеобластеров.1. Формат низкочастотных видеосигналов.1. Как осуществляется разделение сигналов яркости и цветности? Используются гребенчатые и полосовые фильтры для разделения. Если используется RGB представление, то отсутствует модуляция и кодирование.2. Глубина оцифровки – число бит на один отсчет.
Начало создания приводов компакт дисков было положено с появлением в 1982 г. первых аудио компакт-дисков, разработанных компаниями Sony и Philips. Объем информации на CD составлял 72 минутам, именно столько длится одна из популярных симфоний Баха, что составило 650 мегабайт. Вскоре, в 1985 году, появились и первые CD ROM приводы для ПК, тогда основным средством переноса информации между компьютерами были дискеты и объем 650 мегабайт казался очень большим.
Приводы компакт-дисков ( CDD ) – необходимый атрибут современного компьютера.
Приводы компакт-дисков работают с оптическими дисками информация на которых записывается и считывается с помощью лазера.
Компакт – диск - предназначен только для хранения предварительно записанной на него информации в цифровом виде и считывания ее с помощью соответствующего устройства - привода (накопителя).
Принцип действия привода компакт дисков
Основными функциональными элементами привода CD-ROM являются: миниатюрный электродвигатель, лазер, система оптических линз и датчиков, а также электронная схема, осуществляющая предварительную обработку (считывание и декодирование информации) и управление приводом.
Приводы компакт дисков работают не так, как все рассмотренные ранее электромагнитные носители информации. При записи компакт-диск обрабатывается лазерным лучом (без механического контакта), выжигающим тот учачток, который хранит логическую 1, и оставляет не тронутым тот участок который хранит логический 0. В результате чего на поверхности CD образуются маленькие углубления, - так называемые питы (Pits).
Считывание информации осуществляется следующим образом:
Электродвигатель вращает диск. Лазер генерирует световой луч, который системой оптических линз фокусируется на отражающей (металлической) поверхности диска. Свет по-разному отражается от переходов между основной поверхностью и углублениями. Отраженный свет через линзы попадает на датчик интенсивности света, который анализирует и преобразует его в электрический двоичный сигнал и направляет его для дальнейшей обработки в электронную схему привода.
Информация, хранимая на оптических дисках, в отличие от информации, хранимой на магнитных дисках, практически не подвержена разрушительному воздействию электрических и магнитных полей и в значительно меньшей степени подвергается разрушению в результате естественного старения материала носителя. Кроме того, стоимость записи и хранения единицы информации на CD-ROM существенно меньше, чем для магнитных дисков.
Структура оптического диска
Всоответствии с принятыми стандартами поверхность диска разделена на три области:
1. Входная директория - область в форме кольца, ближайшего к центу диска (ширина 4 мм). Считывание информации с диска начинается именно с входной директории, где содержится оглавление, адреса записей, число заголовков, объем диска, название диска;
2. Область данных ;
3. Выходная директория – имеет метку конца диска.
Типы оптических дисков:
CD - ROM . На диске CD-ROM промышленным способом записывается информация, и произвести ее повторную запись невозможно. Наибольшее распространение получили 5-дюймовые диски CD-ROM емкостью 670 Мбайт. По своим характеристикам они полностью идентичны обычным музыкальным компакт-дискам. Данные на диске записываются в виде спирали.
CD - R . Аббревиатурой CD-R (CD-Recordable) обозначена технология однократной оптической записи, которую можно использовать для архивирования данных, создания прототипов дисков для серийного производства и для мелкосерийного выпуска изданий на компакт-дисках, записи аудио и видео. Назначение устройства CD-R - запись данных на компакт-диски CD-R, которые потом можно читать на накопителях CD-ROM и CD-RW.
CD - RW . Старые данные могут быть стерты и вместо них могут быть записаны новые. Емкость носителя CD-RW составляют 650 Мбайт и равна емкости дисков CD-ROM и CD-R.
DVD-ROM, DVD-R, DVD-RW . Подобны рассмотренным ранее типам оптических дисков, но имеют большую емкость.
Разрабатывается HVD (Holografic Versatile Dosc) емкостью 1 Тб.
Технология DVD допускает 4 типа дисков :
односторонний, однослойный – 4,7 Гбайт
односторонний, двухслойный – 8,5 Гбайт
двусторонний, однослойный – 9,4 Гбайт
двусторонний, двухслойный – 17 Гбайт
В двухслойных дисках используется укрепляющий слой, на который стали записывать информацию. При считывании информации с первого слоя, расположенном в глубине диска, лазер проходит через прозрачную пленку второго слоя. При считывании информации со второго слоя контроллер привода подает сигнал фокусировки лазерного луча на втором слое и с него производится считывание. При всем при этом диаметр диска составляет 120 мм, а его толщина 1,2 мм.
Как уже упоминалось, например, двусторонний двухслойный диск DVD-диск может умещать до 17 Гбайт информации, это примерно 8 часов высококачественного видео, 26 часов музыки или что нагляднее всего – стопка бумаги исписанной с двух сторон высотой в 1.4 километра!
Форматы DVD
DVD - R . могут быть только однослойными, но возможно создание двухсторонних дисков. Принцип по которому производится запись DVD-R точно такой же, как и у CD-R. Отражающий слой меняет свои характеристики, под воздействием луча лазера повышенной мощности. DVD-R не несёт в себе ничего нового, технически это тот же CD-R, только рассчитанный на более тонкие дорожки. При создании DVD-R самое пристальное внимание уделено совместимости с существующими DVD-ROM приводами. Длина записывающего лазера 635 Нм + защита записываемых дисков от копирования.
DVD + R . Принципы, на которых построен DVD+R идентичны тому, что используется в DVD-R. Разница между ними в формате записи, который используется. Так, например, DVD+R диски поддерживают запись в несколько приёмов. Длина записывающего лазера 650 Нм + более высоко отражающая поверхность.
Существует два основных класса компакт-дисков: CD и DVD .
|
Классы оптических дисков |
|||
|
Характеристики | |||
|
Количество сторон |
Односторонние |
Двухсторонние | |
|
Тип записи |
Однослойная |
Двуслойная | |
|
Плотность записи | |||
|
Размер пита | |||
|
Длина лазера |
Красный 650-635 Нм | ||
Накопители на компакт-дисках
Для решения широкого круга задач информатизации используются следующие оптические накопители информации:
CD-ROM (Compact Disk Read-Only Memory) - запоминающие устройства только для считывания с них информации;
CD-WORM (Write Once Read Many) - запоминающие устройства для считывания и однократной записи информации;
CD-R (CD-Recordable) - запоминающие устройства для считывания и многократной записи информации;
МО - магнитооптические накопители, на которые возможна многократная запись.
Принцип действия всех оптических накопителей информации основан на лазерной технологии. Луч лазера используется как для записи на носитель информации, так и для считывания ранее записанных данных, и является, по сути, дела своеобразным носителем информации.
Приводы CD-ROM
CD-ROM - компакт-диск (CD), предназначенный для хранения в цифровом виде предварительно записанной на него информации и считывания ее с помощью специального устройства, называемого CD-ROM-driver, - дисковода для чтения компакт-дисков.
К числу задач, для решения которых предназначается устройство CD-ROM, можно отнести: установку и обновление программного обеспечения; поиск информации в базах данных; запуск и работу с игровыми и образовательными программами; просмотр видеофильмов; прослушивание музыкальных CD.
История создания CD-ROM начинается с 1980 г., когда фирмы Sony и Philips объединили свои усилия по созданию технологии записи и производства компакт-дисков с использованием лазеров. Начиная с 1994 г., дисководы CD-ROM становятся неотъемлемой частью стандартной конфигурации ПК. Носителем информации на CD-диске является рельефная подложка, на которую нанесен тонкий слой отражающего свет материала, как правило, алюминия. Запись информации на компакт-диск представляет собой процесс формирования рельефа на подложке путем «прожигания» миниатюрных штрихов-питов лазерным лучом. Считывание информации производится за счет регистрации луча лазера, отраженного от рельефа подложки. Отражающий участок поверхности диска дает сигнал «нуль», а сигнал от штриха - «единицу».
Хранение данных на CD-дисках, как и на магнитных дисках, организуется в двоичной форме.
По сравнению с винчестерами CD значительно надежнее в транспортировке. Объем данных, располагаемых на CD, достигает 700 - 800 Мбайт, причем при соблюдении правил эксплуатации CD практически не изнашивается.
Процесс изготовления CD-дисков включает несколько этапов. На первом этапе создается информационный файл для последующей записи на носитель. На втором этапе с помощью лазерного луча производится запись информации на носитель, в качестве которого используется стеклопластиковый диск с покрытием из фоторезистивного материала. Информация записывается в виде последовательности расположенных по спирали углублений (штрихов), как показано на рис. 3.7. Глубина каждого штриха-пита (pit) равна 0,12 мкм, ширина (в направлении, перпендикулярном плоскости рисунка) - 0,8 - 3,0 мкм. Они расположены вдоль спиральной дорожки, расстояние между соседними витками которой составляет 1,6 мкм, что соответствует плотности 16000 витков/дюйм (625 витков/мм). Длина штрихов вдоль дорожки записи колеблется от 0,83 до 3,1 мкм.
На следующем этапе производятся проявление фоторезисторного слоя и металлизация диска. Изготовленный по такой технологии диск называется мастер-диском. Для тиражирования компакт-дисков с мастер-диска методом гальванопластики снимается несколько рабочих копий. Рабочие копии покрываются более прочным металлическим слоем (например, никелем), чем мастер-диск, и могут использоваться в качестве матриц для тиражирования CD-дисков до 10 тыс. шт. с каждой матрицы. Тиражирование осуществляется методом горячей штамповки, после которой информационную сторону основы диска, выполненную из поликарбоната, подвергают вакуумной металлизации слоем алюминия и диск покрывают слоем лака. Диски, выполненные методом горячей штамповки, в соответствии с паспортными данными обеспечивают до 10000 циклов безошибочного считывания данных. Толщина CD-диска 1,2 мм, диаметр - 120 мм.
Привод CD-ROM содержит следующие основные функциональные узлы:
Загрузочное устройство;
Оптико-механический блок;
Системы управления приводом и автоматического регулирования;
Универсальный декодер и интерфейсный блок.
На рис. 3.8 дана конструкция оптико-механического блока привода CD-ROM, который работает следующим образом. Электромеханический привод приводит во вращение диск, помещенный в загрузочное устройство. Оптико-механический блок обеспечивает перемещение оптико-механической головки считывания по радиусу диска и считывание информации. Полупроводниковый лазер генерирует маломощный инфракрасный луч (типовая длина волны 780 нм, мощность излучения 0,2 - 5,0 мВт), который попадает на разделительную призму, отражается от зеркала и фокусируется линзой на поверхности диска. Серводвигатель по командам, поступающим от встроенного микропроцессора, перемещает подвижную каретку с отражающим зеркалом к нужной дорожке на компакт-диске. Отраженный от диска луч фокусируется линзой, расположенной под диском, отражается от зеркала и попадает на разделительную призму, которая направляет луч на вторую фокусирующую линзу. Далее луч попадает на фотодатчик, преобразующий световую энергию в электрические импульсы. Сигналы с фотодатчика поступают на универсальный декодер
Системы автоматического слежения за поверхностью диска и дорожки записи данных обеспечивают высокую точность считывания информации. Сигнал с фотодатчика в виде последовательности импульсов поступает в усилитель системы автоматического регулирования, где выделяются сигналы ошибок слежения. Эти сигналы поступают в системы автоматического регулирования: фокуса, радиальной подачи, мощности излучения лазера, линейной скорости вращения диска.
Универсальный декодер представляет собой процессор для обработки сигналов, считанных с CD. В его состав входят два декодера, оперативное запоминающее устройство и контроллер управления декодером. Применение двойного декодирования дает возможность восстановить потерянную информацию объемом до 500 байт. Оперативное запоминающее устройство выполняет функцию буферной памяти, а контроллер управляет режимами исправления ошибок.
Интерфейсный блок состоит из преобразователя цифровых данных в аналоговые сигналы, фильтра нижних частот и интерфейса для связи с компьютером. При воспроизведении аудиоинформации ЦАП преобразует закодированную информацию в аналоговый сигнал, который поступает на усилитель с активным фильтром низких частот и далее на звуковую карту, которая связана с наушниками или акустическими колонками.
Ниже приводятся эксплуатационные характеристики, которые необходимо учитывать при выборе CD-ROM применительно к конкретным задачам.
Скорость передачи данных (Data Transfer Rate - DTR) - максимальная скорость, с которой данные пересылаются от носителя информации в оперативную память компьютера. Это наиболее важная характеристика привода CD-ROM, которая практически всегда упоминается вместе с названием модели. Непосредственно со скоростью передачи данных связана скорость вращения диска. Первые приводы CD-ROM передавали данные со скоростью 150 Кбайт/с, как и проигрыватели аудиокомпакт-дисков. Скорость передачи данных следующих поколений устройств, как правило, кратна этому числу (150 Кбайт/с). Такие приводы получили название накопителей с двух-, трех-, четырехкратной скоростью и т.д. Например, 60-скоростной привод CD-ROM обеспечивает считывание информации со скоростью 9000 Кбайт/с.
Высокая скорость передачи данных привода CD-ROM необходима прежде всего для синхронизации изображения и звука. При недостаточной скорости передачи возможны пропуск кадров видеоизображения и искажение звука.
Однако дальнейшее, свыше 72-кратности, повышение скорости считывания приводов CD-ROM нецелесообразно, поскольку при дальнейшем повышении скорости вращения CD не обеспечивается требуемый уровень качества считывания. И, кроме того, появилась более перспективная технология - DVD.
Качество считывания характеризуется коэффициентом ошибок (Eror Rate) и представляет собой вероятность получения искаженного информационного бита при его считывании. Данный параметр отражает способность устройства CD-ROM корректировать ошибки чтения/записи. Паспортные значения этого коэффициента - 10~11-10~12. Когда считываются данные с загрязненного или поцарапанного участка диска, регистрируются группы ошибочных битов. Если ошибку не удается устранить с помощью помехоустойчивого кода (применяемого при чтении/записи), скорость считывания данных понижается и происходит многократный повтор чтения.
Среднее время доступа (Access Time - АТ) - это время (в миллисекундах), которое требуется приводу, чтобы найти на носителе нужные данные. Очевидно, что при работе на внутренних участках диска время доступа будет меньше, чем при считывании информации с внешних участков. Поэтому в паспорте накопителя приводится среднее время доступа, определяемое как среднее значение при выполнении нескольких считываний данных с различных участков диска. По мере совершенствования приводов CD-ROM среднее время доступа уменьшается, но тем не менее этот параметр значительно отличается от аналогичного для накопителей на жестких дисках (100 - 200 мс для CD-ROM и 7 - 9 мс для жестких дисков). Это объясняется принципиальными различиями конструкций: в накопителях на жестких дисках используется несколько магнитных головок и диапазон их механического перемещения меньше, чем диапазон перемещения оптической головки привода CD-ROM.
Объем буферной памяти - это объем оперативного запоминающего устройства привода CD-ROM, используемого для увеличения скорости доступа к данным, записанным на носителе. Буферная память (кэш-память) представляет собой устанавливаемые на плате накопителя микросхемы памяти для хранения считанных данных. Благодаря буферной памяти, данные, размещенные в различных областях диска, могут передаваться в компьютер с постоянной скоростью. Объем буферной памяти отдельных моделей привода CD-ROM - 512 Кбайт.
Средняя наработка на отказ - среднее время в часах, характеризующее безотказность работы привода CD-ROM. Средняя наработка на отказ различных моделей приводов CD-ROM 50-125 тыс. ч, или 6-14,5 лет круглосуточной работы, что значительно превышает срок морального старения накопителя.
В процессе развития накопителей на оптических дисках разработан целый ряд основных форматов записи информации на CD.
Формат CD-DA (Digital Audio) - цифровой аудио-компакт диск со временем звучания 74 мин.
Формат ISO 9660 - наиболее распространенный стандарт логической организации данных.
Формат High Sierra (HSG) предложен в 1995 г. и обеспечивает чтение данных, записанных на диск в формате ISO 9660, с помощью приводов всех типов, что привело к широкому тиражированию программ на CD и способствовало созданию компакт-дисков, ориентированных на различные операционные системы.
Формат Photo-CD разработан в 1990- 1992 гг. и предназначен для записи на CD, хранения и воспроизведения статической видеоинформации в виде высококачественных фотоизображений. Диск формата Photo-CD вмещает от 100 до 800 фотоизображений соответствующих разрешений - 2048x3072 и 256^384, а также сохраняет звуковую информацию.
Любой диск CD-ROM, содержащий текст и графические данные, аудио- или видеоинформацию, относится к категории мультимедиа. Мультимедиа CD существуют в различных форматах для различных операционных систем: DOS, Windows, OS/2, UNIX, Macintosh.
Формат CD-I (Intractive) разработан для широкого круга пользователей как стандарт мультимедийного диска, содержащего различную текстовую, графическую, аудио- и видеоинформацию. Диск формата CD-I позволяет хранить видеоизображение со звуковым сопровождением (стерео) и длительностью воспроизведения до 20 мин.
Формат CD-DV(Digital Video) обеспечивает запись и хранение. высококачественного видеоизображения со стереозвуком в течение 74 мин. При хранении обеспечивается сжатие по методу MPEG-1 (Motion Picture Expert Group).
Чтение диска возможно с использованием аппаратного или программного декодера стандарта MPEG.
Формат 3DО разработан для игровых приставок.
Приводы CD-ROM могут работать как со стандартным интерфейсом для подключения к разъему IDE (E-IDE), так и с высокоскоростным интерфейсом SCSI.
Самые популярные дисководы CD-ROM в России - изделия с торговыми марками Panasonic, Craetive, Samsung, Pioneer, Hitachi, Teac, LG.
Несмотря на большое разнообразие моделей винчестеров принцип их действия и основные конструктивные элементы одинаковы. На рисунке 5 показаны основные элементы конструкции накопителя на жестком диске:
магнитные диски;
головки чтения/записи;
механизм привода головок;
двигатель привода дисков;
печатная плата с электронной схемой управления.
Гермоблок заполняется воздухом под давлением в одну атмосферу. В крышках гермоблоков некоторых винчестеров имеется специальное отверстие, заклеенное фильтрующей пленкой, которое служит для выравнивания давления внутри блока и снаружи, а также для поглощения пыли.
Рисунок 5 - Основные элементы конструкции накопителя на жестких дисках
Габаритные размеры винчестеров стандартизованы по параметру, называемому формфактор (Form-Factor). Например, все HDD с формфактором 3,5" имеют стандартные размеры корпуса 41,6x101x146 мм.
Подложки магнитных дисков первых винчестеров изготовлялись из алюминиевого сплава с добавлением магния. В современных моделях в качестве основного материала для дисковых пластин используется композиционный материал из стекла и керамики с малым температурным коэффициентом расширения, что делает их менее восприимчивыми к изменениям температуры, более прочными. Магнитные диски выпускаются следующих размеров: 3,5"; 5,25"; 2,5"; 1,8".
Диски покрываются магнитным веществом - рабочим слоем. Он может быть либо оксидный, либо на основе тонких пленок.
Головки чтения/записи предусмотрены для каждой стороны диска. Когда накопитель выключен, головки касаются диска. При раскручивании дисков возрастает аэродинамическое давление воздуха на головки, что приводит к их отрыву от рабочих поверхностей дисков. Чем ближе располагается головка к поверхности диска, тем выше амплитуда воспроизводимого сигнала.
Механизм привода головок обеспечивает перемещение головок от центра дисков к краям и фактически определяет надежность накопителя, его температурную стабильность и вибрационную устойчивость. Все существующие механизмы привода головок делятся на два основных типа: с шаговым двигателем и подвижной катушкой.
Двигатель привода дисков приводит пакет дисков во вращение, скорость которого в зависимости от модели находится в пределах 3600 - 7200 об/мин (т.е. головки движутся с относительной скоростью 60 - 80 км/ч). Скорость вращения дисков некоторых винчестеров достигает 15 000 об/мин. Жесткий диск вращается непрерывно даже тогда, когда не происходит обращения к нему, поэтому винчестер должен быть установлен только вертикально или горизонтально.
Печатная плата с электронной схемой управления и прочие узлы накопителя (лицевая панель, элементы конфигурации и монтажные детали) являются съемными. На печатной плате монтируются электронные схемы управления двигателем и приводом головок, схема для обмена данными с контроллером. Иногда контроллер устанавливается непосредственно на этой плате.
Вопросы для самоконтроля:
Накопители на гибких дисках. Конструкция, принцип действия, основные компоненты, технические характеристики FDD;
Логическая структура дискет;
Накопители на жестких магнитных дисках. Конструкция и принцип работы HDD, форм-факторы, типы;
Основные характеристики и режимы работы накопителей на жестких магнитных дисках. Контроллеры и подключение HDD;
Современные модели накопителей;
Логическая структура жесткого диска;
Форматирование жестких дисков;
Утилиты обслуживания жестких магнитных дисков.
Тема 4.2 Приводы CD-R (RW). DVD-R (RW)
Студент должен:
иметь представление:
о назначении приводов CD-R (RW). DVD-R (RW)
знать:
принцип действия и основные компоненты привода CD-ROM;
эксплуатационные характеристики привода CD-ROM;
принцип действия и основные компоненты привода DVD;
уметь:
подключать приводы CD и DVD дисков;
Приводы CD-R, (RW), DVD-R (RW): принцип работы, конструкция и основные компоненты, технические характеристики.
Методические указания
Приводы CD-ROM
CD-ROM - компакт-диск (CD), предназначенный для хранения в цифровом виде предварительно записанной на него информации и считывания ее с помощью специального устройства, называемого CD-ROM-driver, - дисковода для чтения компакт-дисков.
Процесс изготовления CD-дисков включает несколько этапов.
На первом этапе создается информационный файл для последующей записи на носитель. На втором этапе с помощью лазерного луча производится запись информации на носитель, в качестве которого используется стеклопластиковый диск с покрытием из фоторезистивного материала. Информация записывается в виде последовательности расположенных по спирали углублений (штрихов), как показано на рисунке 6. Глубина каждого штриха-пита (pit) равна 0,12 мкм, ширина (в направлении, перпендикулярном плоскости рисунка) - 0,8 - 3,0 мкм. Они расположены вдоль спиральной дорожки, расстояние между соседними витками которой составляет 1,6 мкм, что соответствует плотности 16000 витков/дюйм (625 витков/мм). Длина штрихов вдоль дорожки записи колеблется от 0,83 до 3,1 мкм.
Рисунок 6 - Геометрические характеристики компакт-диска (а) и его поперечное сечение (б)
На следующем этапе производятся проявление фоторезистивного слоя и металлизация диска. Изготовленный по такой технологии диск называется мастер-диском. Для тиражирования компакт-дисков с мастер-диска методом гальванопластики снимается несколько рабочих копий. Рабочие копии покрываются более прочным металлическим слоем (например, никелем), чем мастер-диск, и могут использоваться в качестве матриц для тиражирования CD-дисков до 10 тыс. шт. с каждой матрицы. Тиражирование осуществляется методом горячей штамповки, после которой информационную сторону основы диска, выполненную из поликарбоната, подвергают вакуумной металлизации слоем алюминия и диск покрывают слоем лака. Диски, выполненные методом горячей штамповки, в соответствии с паспортными данными обеспечивают до 10 000 циклов безошибочного считывания данных. Толщина CD-диска 1,2 мм, диаметр - 120 мм.
Привод CD-ROM содержит следующие основные функциональные узлы:
загрузочное устройство;
оптико-механический блок;
системы управления приводом и автоматического регулирования;
универсальный декодер и интерфейсный блок.
Рисунок 9 - Конструкция оптико-механического блока привода CD-ROM
Системы автоматического слежения за поверхностью диска и дорожки записи данных обеспечивают высокую точность считывания информации. Сигнал с фотодатчика в виде последовательности импульсов поступает в усилитель системы автоматического регулирования, где выделяются сигналы ошибок слежения. Эти сигналы поступают в системы автоматического регулирования: фокуса, радиальной подачи, мощности излучения лазера, линейной скорости вращения диска.
Универсальный декодер представляет собой процессор для обработки сигналов, считанных с CD. В его состав входят два декодера, оперативное запоминающее устройство и контроллер управления декодером. Применение двойного декодирования дает возможность восстановить потерянную информацию объемом до 500 байт. Оперативное запоминающее устройство выполняет функцию буферной памяти, а контроллер управляет режимами исправления ошибок.
Интерфейсный блок состоит из преобразователя цифровых данных в аналоговые сигналы, фильтра нижних частот и интерфейса для связи с компьютером. При воспроизведении аудиоинформации ЦАП преобразует закодированную информацию в аналоговый сигнал, который поступает на усилитель с активным фильтром низких частот и далее на звуковую карту, которая связана с наушниками или акустическими колонками.
Ниже приводятся эксплуатационные характеристики, которые необходимо учитывать при выборе CD-ROM применительно к конкретным задачам.
Скорость передачи данных (Data Transfer Rate - DTK) - Максимальная скорость, с которой данные пересылаются от носителя информации в оперативную память компьютера. Высокая скорость передачи данных привода CD-ROM необходима прежде всего для синхронизации изображения и звука. При недостаточной скорости передачи возможны пропуск кадров видеоизображения и искажение звука.
Качество считывания характеризуется коэффициентом ошибок (Eror Rate) и представляет собой вероятность получения искаженного информационного бита при его считывании.
Среднее время доступа (Access Time - AT) - это время (в миллисекундах), которое требуется приводу, чтобы найти на носителе нужные данные.
Объем буферной памяти - это объем оперативного запоминающего устройства привода CD-ROM, используемого для увеличения скорости доступа к данным, записанным на носителе. Буферная память (кэш-память) представляет собой устанавливаемые на плате накопителя микросхемы памяти для хранения считанных данных.
Средняя наработка на отказ - среднее время в часах, характеризующее безотказность работы привода CD-ROM.
В процессе развития накопителей на оптических дисках разработан целый ряд основных форматов записи информации на CD.
Формат CD-DA (Digital Audio) - цифровой аудио-компакт диск со временем звучания 74 мин.
Формат ISO 9660 - наиболее распространенный стандарт логической организации данных.
Формат High Sierra (HSG) предложен в 1995,г. и обеспечивает чтение данных, записанных на диск в формате ISO 9660, с помощью приводов всех типов, что привело к широкому тиражированию программ на CD и способствовало созданию компакт-дисков, ориентированных на различные операционные системы.
Формат Photo-CD разработан в 1990- 1992 гг. и предназначен для записи на CD, хранения и воспроизведения статической видеоинформации в виде высококачественных фотоизображений. Диск формата Photo-CD вмещает от 100 до 800 фотоизображений соответствующих разрешений - 2048 х 3072 и 256 х 384, а также сохраняет звуковую информацию.
Любой диск CD-ROM, содержащий текст и графические данные, аудио- или видеоинформацию, относится к категории мультимедиа. Мультимедиа CD существуют в различных форматах для различных операционных систем: DOS, Windows, OS/2, UNIX, Macintosh.
Формат CD-I (Jntractive) разработан для широкого круга пользователей как стандарт мультимедийного диска, содержащего различную текстовую, графическую, аудио- и видеоинформацию. Диск формата CD-I позволяет хранить видеоизображение со звуковым сопровождением (стерео) и длительностью воспроизведения до 20 мин.
Формат CD-DV(Digital Video) обеспечивает запись и хранение высококачественного видеоизображения со стереозвуком в течение 74 мин. При хранении обеспечивается сжатие по методу MPEG-1 (Motion Picture Expert Group).
Чтение диска возможно с использованием аппаратного или программного декодера стандарта MPEG.
Формат 3DO разработан для игровых приставок.
Приводы CD-ROM могут работать как со стандартным интерфейсом для подключения к разъему IDE (E-IDE), так и с высокоскоростным интерфейсом SCSI.
Самые популярные дисководы CD-ROM в России - изделия с торговыми марками Panasonic, Craetive, Samsung, Pioneer, Hitachi, Teac, LG.
Накопители DVD
Решение проблемы увеличения емкости оптических носителей информации на базе совершенствования технологии производства CD и приводов, а также имеющихся научно-технических решений в области высококачественного цифрового видео привело к созданию CD-дисков повышенной емкости.
Качество изображения, хранимого в формате DVD, соизмеримо с качеством профессиональных студийных видеозаписей, причем качество звука также не уступает студийному. Считывание звуковой информации в формате DVD производится со скоростью 384 Кбайт/с, что позволяет организовать многоканальное звуковое сопровождение.
Такие возможности дисков формата DVD обусловлены улучшенными параметрами рабочей поверхности дисков. Так же как и CD, диск формата DVD имеет диаметр 120 мм. В приводе DVD используется полупроводниковый лазер с длиной волны излучения в видимой области 0,63 - 0,65 мкм. Такое снижение длины волны (по сравнению с 0,78 мкм у обычного CD-привода) обеспечило возможность уменьшения размеров штрихов записи (пит) практически в два раза, а расстояние между дорожками записи - с 1,6 до 0,74 мкм. Питы располагаются по спирали, как на виниловых долгоиграющих пластинках.
Приводы DVD-ROM поставляются как с аппаратным декодером MPEG-2 в виде карты расширения для шины PCI, так и с программным декодером. Записывающие DVD-R и перезаписывающие дисководы DVD-RW способны работать с однослойными односторонними дисками емкостью до 4,7 - 5,2 Гбайт при скорости записи информации около 1 Мбайт/с.
Вопросы для самоконтроля:
Приводы CD-R, (RW), принцип работы, конструкция и основные компоненты, технические характеристики;
DVD-R (RW): принцип работы, конструкция и основные компоненты, технические характеристики.
Тема 4.3 Магнитооптические накопители. Накопители на магнитных дисках. Внешние устройства хранения информации
Студент должен:
иметь представление:
о назначении накопителей на компакт дисках;
о назначении магнитооптических накопителей;
о назначении накопителей на магнитных дисках;
о назначении внешних устройств хранения информации
знать:
форматы оптических и магнитооптических дисков;
принцип работы стримера
уметь:
записывать информацию на оптические и магнитооптические диски
Накопители на компакт – дисках: форматы записи информации, процесс изготовления CD – дисков, накопители с однократной и многократной записью. Магнитооптические накопители: принципы работы, конструкция и основные компоненты, технические характеристики. Логическая структура и формат магнитооптических дисков. Накопители на магнитных лентах. Принцип размещения информации на магнитных лентах. Конструкция лентопротяжных механизмов. Структура данных на магнитных лентах. Устройства записи считывания информации с магнитных лент. Катриджы с магнитными лентами. Современные модели стримеров. Внешние устройства хранения информации: флэш- накопители, ZIP-накопители. Принцип работы и основные технические характеристики.
Методические указания
Накопители на магнитооптических дисках
Магнитооптический (МО) привод представляет собой накопитель информации, в основу которого положен магнитный носитель с оптическим (лазерным) управлением.Технология изготовления магнитооптического диска состоит в следующем. На стеклопластиковую подложку наносится алюминиевое (либо золотое) покрытие, обеспечивающее отражение лазерного луча. Диэлектрические слои, окружающие с двух сторон магнитооптический слой, изготовлены из прозрачного полимера и защищают диск от перегрева, повышают чувствительность при записи и отражающую способность при считывании информации. Магнитооптический слой создается на основе порошка из сплава кобальта, железа и тербия. Свойства такого покрытия меняются как при температурном воздействии, так и при действии магнитного поля. Если нагреть диск свыше определенной температуры, возможно изменение магнитной поляризации посредством небольшого магнитного поля. Верхний защитный слой из прозрачного полимера, выполненный методом ультрафиолетового отверждения, предохраняет рабочую поверхность от механических повреждений. Благодаря такой технологии и помещению в специальный пластиковый конверт - картридж, магнитооптические диски обладают повышенной надежностью и не боятся воздействия неблагоприятных условий окружающей среды.
Запись данных на МО-диск производится с использованием лазерной технологии. Луч лазера, сфокусированный на поверхности магнитооптического слоя в пятно с диаметром около 1 мкм, направляется в магнитооптический слой и нагревает его в точке фокусировки до температуры точки Кюри (около 200 °С). При этой температуре резко падает магнитная проницаемость, и изменение магнитного состояния частиц выполняется относительно небольшим по величине магнитным полем магнитной головки. После охлаждения материала магнитная ориентация доменов в данной точке сохраняется. В зависимости от магнитной ориентации участка магнитного материала он интерпретируется как логический нуль или логическая единица. Данные записываются блоками по 512 байт.
Для изменения части информации в блоке необходимо перезаписывать его полностью, поэтому при первом проходе инициализируется (разогревается) весь блок, а при подходе сектора под магнитную головку происходит запись новых данных.
Считывание данных с диска происходит поляризованным лазерным лучом пониженной мощности, которой недостаточно для разогрева рабочего слоя: мощность лазера при считывании составляет 25 % мощности лазера при записи. Попадание луча на упорядоченно ориентированные при записи данных магнитные частицы диска приводит к тому, что их магнитное поле незначительно изменяет поляризацию луча, т.е. наблюдается эффект Керра.
Стандартные емкости МО-дисков: односторонних дисков 3,5" - 128, 230 и 640 Мбайт, двухсторонних - 600 и 650 Мбайт. Диски размером 5,25" выпускаются емкостью от 1,7 до 4,6 Гбайт.
Быстродействие МО-накопителей ниже, чем накопителей со сменными магнитными носителями, хотя быстродействие новых моделей неуклонно возрастает. Одна из причин сравнительно низкого быстродействия МО-накопителей заключается в том, что скорость вращения диска всего 2000 об/мин. Кроме того, в МО-накопителях используется довольно массивная головка чтения/ записи, совмещающая в одном устройстве оптический и магнитный узлы.
Среднее время доступа к данным в МО-накопителях около 30 мс, а гарантийный срок работы (средняя наработка на отказ) - 75 000 ч.
Технология магнитооптической записи непрерывно совершенствуется. Несколько фирм выпускают МО-накопители с частотой вращения МО-диска 3600 об/мин, но их стоимость довольно высока. Лидерами рынка накопителей на МО-дисках являются компании Sony, Fujitsu и Hewlett-Packard.
Магнитооптические диски и накопители большинства фирм-изготовителей соответствуют требованиям международных стандартов, выпускаются как в виде встраиваемых устройств, так и во внешнем автономном исполнении с интерфейсами IDE и SCSI.
Помимо обычных дисководов широкое распространение получили так называемые оптические библиотеки с автоматической сменой дисков, емкость которых достигает сотен гигабайт и даже нескольких терабайт. Время автоматической смены диска - несколько секунд, а время доступа и скорость обмена данными - такие же, как у обычных дисководов.
Накопители на магнитной ленте
Накопители на магнитной ленте применяются в системах резервного копирования. Резервное копирование данных необходимо, если емкость используемого накопителя на жестких дисках невелика и при этом на нем хранится много программ; результаты работы представлены большими массивами данных; отсутствует свободное место на жестком диске.
В качестве устройств записи данных на магнитную ленту (стримеров) сначала использовались катушечные накопители, аналогичные бытовым катушечным магнитофонам. В 1972 г. фирма ЗМ разработала первую кассету размером 15x10x1,6 см, предназначенную для хранения данных. Внутри кассеты находились две катушки, на которые лентопротяжным механизмом наматывалась лента в процессе чтения/записи. В 1983 г. был выпущен первый стандартный QIC (Quarter-Inch-Catridge - накопитель на магнитной ленте), емкость которого составляла 60 Мбайт. Запись данных производилась на девяти дорожках, а магнитная лента имела длину около 90 м. В дальнейшем был разработан стандарт на мини-кассеты (формат МС). Габариты мини-кассеты, согласно этому стандарту, 8,25 х 6,35 х 1,5 см. Основу магнитного слоя лент QIC составляет оксид железа.
Внешние устройства хранения информации
При современных объемах программного обеспечения и размерах файлов носитель информации на гибких дисках емкостью всего 1,44 Мбайт не в состоянии обеспечить обмен данными между PC и тем более не может использоваться для хранения резервных копий и архивов.Решение этой проблемы связано с созданием таких накопителей, как LS-120, SyQuest, Zip, Jaz, МО, ORB и др. Важнейшим параметром оценки этих устройств является совместимость с FDD, т.е. способность устройства читать и записывать данные на гибкий диск 3,5" емкостью 1,44 Мбайт. Все перечисленные устройства несовместимы с FDD, поскольку работают только со своими дисками. Исключение составляет дисковод LS-120, который в состоянии читать кроме своих дискет емкостью 120 Мбайт стандартные дискеты емкостью 1,44 Мбайт.
Дисководы LS-120 выпускаются фирмами как внешние устройства с интерфейсом LPT или внутренние с интерфейсом IDE. Несомненным преимуществом дисковода LS-120 является высокая емкость дискеты (120 Мбайт) при достаточно низкой цене накопителя с интерфейсом IDE. При этом скорость чтения/записи в несколько раз выше, чем у FDD (80- 100 Кбайт/с в DOS и 200 - 300 Кбайт/с в Windows по сравнению с 60 Кбайт/с у FDD). Дисководы LS-120 являются магнитными накопителями информации и имеют такие же недостатки, как и все магнитные носители информации: чувствительность к магнитным полям, пыли и механическим деформациям.
Сменные жесткие диски используются при необходимости размещения больших объемов данных на малогабаритных носителях. У сменного винчестера переносным является не только носитель информации, но и весь дисковод, который вынимается из своих направляющих в корпусе ПК. Чаще всего это IDE диски, которые устанавливаются в корпус компьютера. Для извлечения дисковода на передней панели имеется специальная ручка. С обратной его стороны находится адаптер, который обычно обеспечивает силовое питание и связь для приема/передачи данных. Использование сменного жесткого диска такого рода для частого обмена информацией между удаленными ПК не дает желаемых результатов в связи с недостаточной защищенностью от внешних воздействий, возникающих при их транспортировке. Рекомендуется использовать сменные жесткие диски главным образом для целей архивирования данных.
Вопросы для самоконтроля:
Накопители на компакт – дисках: форматы записи информации, процесс изготовления CD – дисков, накопители с однократной и многократной записью.
Магнитооптические накопители: принципы работы, конструкция и основные компоненты, технические характеристики.
Логическая структура и формат магнитооптических дисков.
Накопители на магнитных лентах.
Принцип размещения информации на магнитных лентах. Конструкция лентопротяжных механизмов. Структура данных на магнитных лентах.
Устройства записи считывания информации с магнитных лент. Катриджы с магнитными лентами. Современные модели стримеров.
Внешние устройства хранения информации: флэш- накопители, ZIP-накопители. Принцип работы и основные технические характеристики.
Раздел 5. Видеоподсистема: мониторы, видеоадаптеры, видеопроекторы
Тема 5.1 Мониторы ЭЛТ
Студент должен:
иметь представление:
знать:
принцип работы мониторов на основе ЭЛТ;
основные характеристики ЭЛТ мониторов.
уметь:
подключать мониторы на основе ЭЛТ;
устанавливать режимы работы мониторов на основе ЭЛТ;
Мониторы на основе электронно- лучевой трубки (ЭЛТ): основные принципы работы, типы ЭЛТ, конструкция, технические характеристики. Стандарты ТСО. Обзор основных моделей.
Методические указания
Мониторы на основе ЭЛТ - наиболее распространенные устройства отображения информации. Используемая в этом типе мониторов технология была разработана много лет назад и первоначально создавалась в качестве специального инструментария для измерения переменного тока, т. е. для осциллографа.
Конструкция ЭЛТ-монитора представляет собой стеклянную трубку, внутри которой находится вакуум. С фронтальной стороны внутренняя часть стекла трубки покрыта люминофором. В качестве люминофоров для цветных ЭЛТ используются довольно сложные составы на основе редкоземельных металлов - иттрия, эрбия и др. Люминофор - это вещество, которое испускает свет при бомбардировке его заряженными частицами. Для создания изображения в ЭЛТ-мониторе используется электронная пушка, которая испускает поток электронов сквозь металлическую маску или решетку на внутреннюю поверхность стеклянного экрана монитора, которая покрыта разноцветными люминофорными точками. Электроны попадают на люминофорный слой, после чего энергия электронов преобразуется в свет, т.е. поток электронов заставляет точки люминофора светиться. Эти светящиеся точки люминофора формируют изображение на мониторе. Как правило, в цветном ЭЛТ-мониторе используются три электронные пушки, в отличие от одной пушки, применяемой в монохромных мониторах.
На пути пучка электронов обычно находятся дополнительные электроды: модулятор, регулирующий интенсивность пучка электронов и связанную с ней яркость изображения; фокусирующий электрод, определяющий размер светового пятна; размещенные на основании ЭЛТ катушки отклоняющей системы, которые изменяют направление пучка. Любое текстовое или графическое изображение на экране монитора состоит из множества дискретных точек люминофора, называемых пикселами и представляющих собой минимальный элемент изображения-растра.
Формирование растра в мониторе производится с помощью специальных сигналов, поступающих на отклоняющую систему. Под действием этих сигналов производится сканирование луча по поверхности экрана по зигзагообразной траектории от левого верхнего угла до правого нижнего. Ход луча по горизонтали осуществляется сигналом строчной (горизонтальной) развертки, а по вертикали - кадровой (вертикальной) развертки. Перевод луча из крайней правой точки строки в крайнюю левую точку следующей строки (обратный ход луча по горизонтали) и из крайней правой позиции последней строки экрана в крайнюю левую позицию первой строки (обратный ход луча по вертикали) производится посредством специальных сигналов обратного хода. Мониторы такого типа называются растровыми. Электронный луч в этом случае периодически сканирует экран, образуя на нем близко расположенные строки развертки. По мере движения луча по строкам видеосигнал, подаваемый на модулятор, изменяет яркость светового пятна и образует видимое на экране изображение. Разрешающая способность монитора определяется числом элементов изображения, которые он способен воспроизводить по горизонтали и вертикали, например, 640x480 или 1024 х 768 пикселов.
В электронно-лучевой трубке цветного монитора расположены три электронные пушки с независимыми схемами управления, а на внутреннюю поверхность экрана нанесен люминофор трех основных цветов: красного, синего и зеленого.
Электронный луч каждой пушки возбуждает точки люминофора, и они начинают светиться. Точки светятся по-разному и представляют собой мозаичное изображение с чрезвычайно малыми размерами каждого элемента. Интенсивность свечения каждой точки зависит от управляющего сигнала электронной пушки. В человеческом глазу точки с тремя основными цветами пересекаются и накладываются друг на друга. Изменением соотношения интенсивностей точек трех основных цветов получают требуемый оттенок на экране монитора. Для того чтобы каждая пушка направляла поток электронов только на пятна люминофора соответствующего цвета, в каждом цветном кинескопе имеется специальная цветоделительная маска.
В зависимости от расположения электронных пушек и конструкции цветоделительной маски (рисунок 8) различают ЭЛТ четырех типов, используемые в современных мониторах:
ЭЛТ с теневой маской (Shadow Mask) (см. рисунок 8, а) наиболее распространены в большинстве мониторов, производимых LG, Samsung, Viewsonic, Hitachi, Belinea, Panasonic, Daewoo, Nokia;
ЭЛТ с улучшенной теневой маской (EDP - Enhenced Dot Pitch) (см. рисунок 8, 6);
ЭЛТ со щелевой маской (Slot Mask) (см. рисунок 8, в), в которой люминофорные элементы расположены в вертикальных ячейках, а маска сделана из вертикальных линий. Вертикальные полосы разделены на ячейки, содержащие группы из трех люминофорных элементов трех основных цветов. Этот тип маски применяется фирмами NEC и Panasonic;
ЭЛТ с апертурной решеткой из вертикальных линий (Aperture Grill) (см. рисунок 8, г). Вместо точек с люминофорными элементами трех основных цветов апертурная решетка содержит серию нитей, состоящих из люминофорных элементов, выстроенных в виде вертикальных полос трех основных цветов. По этой технологии производятся трубки Sony и Mitsubishi.
Рисунок 8 - Типы цветоделительных масок ЭЛТ: а – ЭЛТ с теневой маской; б – ЭЛТ с улучшенной теневой маской; в- ЭЛТ с щелевой маской; г – ЭЛТ с апертурой решеткой
ЭЛТ-мониторы имеют следующие основные характеристики.
Диагональ экрана монитора - расстояние между левым нижним и правым верхним углом экрана, измеряемое в дюймах.
Размер зерна экрана определяет расстояние между ближайшими отверстиями в цветоделительной маске используемого типа. Расстояние между отверстиями маски измеряется в миллиметрах. Чем меньше расстояние между отверстиями в теневой маске и чем больше этих отверстий, тем выше качество изображения.
Разрешающая способность монитора определяется количеством элементов изображения, которые он способен воспроизводить по горизонтали и вертикали.
Тип электронно-лучевой трубки следует принимать во внимание при выборе монитора. Наиболее предпочтительны такие типы кинескопов, как Black Trinitron, Black Matrix или Black Planar. Мониторы этих типов имеют особое люминофорное покрытие.
Потребляемая мощность монитора указывается в его технических характеристиках. У мониторов 14" потребляемая мощность не должна превышать 60 Вт.
Покрытия экрана необходимы для придания ему антибликовых и антистатических свойств. Антибликовое покрытие позволяет наблюдать на экране монитора только изображение, формируемое компьютером, и не утомлять глаза наблюдением отраженных объектов. Существует несколько способов получения антибликовой (не отражающей) поверхности. Самый дешевый из них - протравливание. Оно придает поверхности шероховатость. Однако графика на таком экране выглядит нерезко, качество изображения низкое. Наиболее популярен способ нанесения кварцевого покрытия, рассеивающего падающий свет; этот способ реализован фирмами Hitachi и Samsung. Антистатическое покрытие необходимо для предотвращения прилипания к экрану пыли вследствие накопления статического электричества.
Защитный экран (фильтр) должен быть непременным атрибутом ЭЛТ-монитора, поскольку медицинские исследования показали, что излучение, содержащее лучи в широком диапазоне (рентгеновское, инфракрасное и радиоизлучение), а также электростатические поля, сопровождающие работу монитора, могут весьма отрицательно сказываться на здоровье человека.
По технологии изготовления защитные фильтры бывают: сеточные, пленочные и стеклянные.
Безопасность монитора для человека регламентируется стандартами ТСО: ТСО 92, ТСО 95, ТСО 99, предложенными Шведской конфедерацией профсоюзов. ТСО 92, выпущенный в 1992 г., определяет параметры электромагнитного излучения, дает определенную гарантию противопожарной безопасности, обеспечивает электрическую безопасность и определяет параметры энергосбережения. В 1995 г. стандарт существенно расширили (ТСО 95), включив в него требования к эргономике мониторов. В ТСО 99 требования к мониторам еще более ужесточили. В частности, стали жестче требования к излучениям, эргономике, энергосбережению, пожаробезопасности. Присутствуют здесь и экологические требования, которые ограничивают наличие в деталях монитора различных опасных веществ и элементов, например тяжелых металлов.
Вопросы для самоконтроля:
Принцип работы мониторов на основе ЭЛТ;
Основные характеристики ЭЛТ мониторов.
Подключение монитора на основе ЭЛТ;
Установка режимов работы мониторов на основе ЭЛТ
Тема 5.2 Жидкокристаллические мониторы
Студент должен:
иметь представление:
об устройствах отображения информации
знать:
принцип работы жидкокристаллических мониторов;
основные характеристики жидкокристаллических мониторов.
уметь:
подключать мониторы на основе ЖК;
устанавливать режимы работы жидкокристаллических мониторов.
Жидкокристаллические мониторы. Принцип действия и технологии ЖК- мониторов. Контроллер ЖК экрана. Технические характеристики ЖК мониторов. Сравнительный анализ ЖК мониторов и мониторов на основе ЭЛТ. Обзор основных моделей. Плоскопанельные мониторы: плазменные дисплеи, электролюминесцентные мониторы, мониторы электростатической эмиссии, органические светодиодные мониторы. Принцип действия, основные преимущества и недостатки.
Методические указания
ЖК-мониторы (LCD - Liquid Crystal Display) составляют основную долю рынка плоскопанельных мониторов с экраном размером 13-17". Первое свое применение жидкие кристаллы нашли в дисплеях для калькуляторов и в кварцевых часах, затем их стали использовать в мониторах для портативных компьютеров. Сегодня в результате прогресса в этой области начинают получать все большее распространение LCD-мониторы для настольных компьютеров.
Основным элементом ЖК-монитора является ЖК-экран, состоящий из двух панелей, выполненных из стекла, между которыми размещен слой жидкокристаллического вещества, которое находится в жидком состоянии, но при этом обладает некоторыми свойствами, присущими кристаллическим телам. Фактически это жидкости, обладающие анизотропией свойств (в частности, оптических), связанных с упорядоченностью ориентации молекул. Молекулы жидких кристаллов под воздействием электричества могут изменять свою ориентацию и вследствие этого изменять свойства светового луча, проходящего сквозь них. Следовательно, формирование изображения в ЖК-мониторах основано на взаимосвязи между изменением электрического напряжения, приложенного к жидкокристаллическому веществу, и изменением ориентации его молекул.
Экран ЖК-монитора представляет собой массив отдельных ячеек (называемых пикселами), оптические свойства которых могут меняться при отображении информации. Панели ЖК-монитора имеют несколько слоев, среди которых ключевую роль играют две панели, выполненные из свободного от натрия и очень чистого стеклянного материала, между которыми и расположен тонкий слой жидких кристаллов. На панелях нанесены параллельные бороздки, вдоль которых ориентируются кристаллы. Панели расположены так, что бороздки на подложках перпендикулярны между собой. Технология получения бороздок состоит в нанесении на стеклянную поверхность тонких пленок из прозрачного пластика. Соприкасаясь с бороздками, молекулы в жидких кристаллах ориентируются одинаково во всех ячейках.
Жидкокристаллическая панель освещается источником света (в зависимости от того, где он расположен, жидкокристаллические панели работают на отражение или на прохождение света). В качестве источников света используются специальные электролюминесцентные лампы с холодным катодом, характеризующиеся низким энергопотреблением. Молекулы одной из разновидностей жидких кристаллов (нематиков) в отсутствие напряжения на подложках поворачивают вектор электрической напряженности электромагнитного поля в световой волне, проходящей через ячейку, на некоторый угол в плоскости, перпендикулярной оси распространения пучка. Нанесение бороздок позволяет обеспечить одинаковые углы поворота для всех ячеек. Фактически каждая ЖК-ячейка представляет собой электронно управляемый светофильтр, принцип действия которого основан на эффекте поляризации световой волны.
Чтобы поворот плоскости поляризации светового луча был заметен для глаза, на стеклянные панели дополнительно наносят два слоя, представляющих собой поляризационные фильтры. Эти фильтры выполняют функции поляризатора и анализатора.
Принцип действия ячейки ЖК-монитора в следующем. При отсутствии напряжения между подложками ячейка ЖК-монитора прозрачна, поскольку вследствие перпендикулярного расположения бороздок на подложках и соответствующего закручивания оптических осей жидких кристаллов вектор поляризации света поворачивается и проходит без изменения через систему поляризатор -анализатор. Ячейки, у которых ориентирующие канавки, обеспечивающие соответствующее закручивание молекул жидкокристаллического вещества, расположены под углом 90°, называются твистированными нематическими. При создании между подложками напряжения 3- 10 В молекулы жидкокристаллического вещества располагаются параллельно силовым линиям поля. Твистированная структура жидкокристаллического вещества нарушается, и поворота плоскости поляризации проходящего через него света не происходит. В результате плоскость поляризации света не совпадает с плоскостью поляризации анализатора, и ЖК-ячейка оказывается непрозрачной. Напряжение, приложенное к каждой ЖК-ячейке, формируется ПК.
Для вывода цветного изображения на экран выполняется подсветка монитора сзади, так чтобы свет порождался в задней части ЖК-дисплея. Цвет формируется в результате объединения ЖК-ячеек в триады, каждая из которых снабжена светофильтром, пропускающим один из трех основных цветов.
Технология, при которой закручивание молекул составляет 90°, называется твистированной нематической (TN - Twisted Nematic). Недостатки ЖК-мониторов, реализующих эту технологию, связаны с низким быстродействием; зависимостью качества изображения (яркости, контрастности) от внешних засветок; значительным взаимным влиянием ячеек; ограниченным утлом зрения, под которым изображение хорошо видно, а также низкими яркостью и насыщенностью изображения.
Следующим этапом на пути совершенствования ЖК-мониторов было увеличение угла закручивания молекул ЖК-вещества с 90 до 270° с помощью STN-технологии (Super-Twisted Nematic). Использование двух ячеек, одновременно поворачивающих плоскости поляризации в противоположных направлениях, согласно DSTN-технологии (Dual Super-Twisted Nematic), позволило значительно улучшить характеристики ЖК-мониторов.
Для повышения быстродействия ЖК-ячеек используется технология двойного сканирования (DSS- Dual Scan Screens), когда весь ЖК-экран разбивается на четные и нечетные строки, обновление которых выполняется одновременно. Двойное сканирование совместно с использованием более подвижных молекул позволило снизить время реакции ЖК-ячейки с 500 мс (у ЖК-мониторов, реализующих технологию TN) до 150 мс и значительно повысить частоту обновления экрана.
Для получения лучших результатов с точки зрения стабильности, качества, разрешения и яркости изображения используются мониторы с активной матрицей в отличие от применявшихся ранее с пассивной матрицей. Термин пассивная матрица (Passive Matrix) относится к такому конструктивному решению монитора, согласно которому монитор разделен на отдельные ячейки, каждая из которых функционирует независимо от остальных, так что в результате каждый такой элемент может быть подсвечен индивидуально для создания изображения. Матрица называется пассивной, потому что рассмотренные выше технологии создания ЖК-мониторов не могут обеспечить быстродействие при отображении информации на экране. Изображение формируется строка за строкой путем последовательного подвода управляющего напряжения на отдельные ячейки. Вследствие большой электрической емкости отдельных ячеек напряжение на них не может изменяться достаточно быстро, поэтому изображение не отображается плавно и дрожит на экране. При этом между соседними электродами возникает некоторое взаимное влияние, которое может проявляться в виде колец на экране.
В активной матрице используются отдельные усилительные элементы для каждой ячейки экрана, компенсирующие влияние емкости ячеек и позволяющие значительно увеличить быстродействие. Активная матрица (active matrix) имеет следующие преимущества по сравнению с пассивной матрицей:
высокая яркость;
угол обзора, достигающий 120-160°, в то время как у мониторов с пассивной матрицей качественное изображение можно наблюдать только с фронтальной позиции по отношению к экрану;
высокое быстродействие, обусловленное временем реакции монитора около 50 мс.
Запоминающие транзисторы производятся из прозрачных материалов, что позволяет световому лучу проходить сквозь них, и располагаются на тыльной части дисплея, на стеклянной панели, которая содержит жидкие кристаллы. Поскольку запоминающие транзисторы выполняются по тонкопленочной технологии, подобные ЖК-мониторы получили название TFT-мониторы (Thin Film Transistor - тонкопленочный транзистор). Тонкопленочный транзистор имеет толщину в диапазоне от 0,1 до 0,01 мкм. Технология TFT была разработана специалистами фирмы Toshiba. Она позволила не только значительно улучшить показатели ЖК-мониторов (яркость, контрастность, угол зрения), но и создать на основе активной ЖК-матрицы цветной монитор.
К основным характеристикам жидкокристаллических мониторов относятся следующие.
Размер экрана ЖК-мониторов находится в пределах от 13 до 16". В отличие от ЭЛТ-мониторов, номинальный размер экрана и размер его видимой области (растра) практически совпадают.
Ориентация экрана у ЖК-монитора в отличие от ЭЛТ-монитора может быть как портретная, так и ландшафтная. В то время как традиционные экраны ЭЛТ-мониторов и ЖК-экраны компьюте- ров типа Notebook имеют только ландшафтную ориентацию, обусловленную тем, что поле зрения человека в горизонтальном направлении шире, чем в вертикальном, в ряде случаев (работа с текстами большого объема, Web-страницами) намного удобнее работать с экраном портретной ориентации. ЖК-монитор можно легко развернуть на 90°, при этом ориентация изображения останется прежней.
Поле обзора ЖК-мониторов обычно характеризуется углами обзор а, отсчитываемыми от перпендикуляра к плоскости экрана по горизонтали и вертикали.
Разрешение ЖК-монитора определяется размером отдельной ЖК-ячейки, т.е. фиксированным размером пикселов.
Метод «Centering» (центрирование) состоит в том, что для отображения изображения используется только то количество пикселов, которое необходимо для формирования изображения с более низким разрешением. В результате изображение получается не во весь экран, а только в середине: все неиспользуемые пикселы остаются черными, образуя вокруг изображения широкую черную рамку.
Метод «Expansion» (растяжение) основан на растяжении изображения на весь экран, что приводит к возникновению некоторых искажений и ухудшению резкости.
Яркость - важнейший параметр при выборе ЖК-монитора. Типовая яркость ЖК-монитора 150 - 200 кд/м 2 . При этом в центре яркость ЖК-монитора может быть на 25 % выше, чем у краев экрана.
Контрастность изображения ЖК-монитора показывает, во сколько раз его яркость изменяется при изменении уровня видеосигнала от минимального до максимального. Приемлемая цветопередача обеспечивается при контрастности не менее 130:1, а высококачественная - при 350:1.
Инерционность ЖК-монитора характеризуется минимальным временем, необходимым для активизации его ячейки, и составляет 30 - 70 мс, соответствуя аналогичным параметрам ЭЛТ-мо-ниторов.
Палитра ЖК-мониторов, по сравнению с обычными, ограничена определенным количеством воспроизводимых на экране оттенков цветов. Типовой размер палитры современных ЖК-мониторов составляет 262 144 или 16 777 216 оттенков цветов.
Массогабаритные характеристики и энергопотребление выгодно отличают ЖК-мониторы от ЭЛТ-мониторов. Масса большинства моделей не превышает нескольких килограмм, а толщина экрана - 20 мм. Потребляемая мощность в рабочем режиме не превышает 35-40 Вт.
Плазменные дисплеи (Plasma Display Panel - PDF) создаются путем заполнения пространства между двумя стеклянными поверхностями инертным газом, например аргоном или неоном. Затем на стеклянную поверхность наносят миниатюрные прозрачные электроды, на которые подается высокочастотное напряжение. Под действием этого напряжения в прилегающей к электроду газовой области возникает электрический разряд. Плазма газового разряда излучает свет в ультрафиолетовом диапазоне, который вызывает свечение частиц люминофора в диапазоне, видимом человеком.
Электролюминесцентные мониторы (Electric Luminiescent Displays - ELD) no своей конструкции аналогичны ЖК-мониторам. Принцип действия электролюминесцентных мониторов основан на явлении испускании света при возникновении туннельного эффекта в полупроводниковом p-n- переходе. Такие мониторы имеют высокие частоты развертки и яркость свечения, кроме того, они надежны в работе. Однако они уступают ЖК-мониторам по энергопотреблению, поскольку на ячейки подается относительно высокое напряжение - около 100 В. При ярком освещении цвета электролюминесцентных мониторов тускнеют.
Мониторы электростатической эмиссии (Field Emission Displays - FED) являются сочетанием традиционной технологии, основанной на использовании ЭЛТ, и жидкокристаллической технологии. Мониторы FED основаны на процессе, который несколько похож на тот, что применяется в ЭЛТ-мониторах, так как в обоих методах применяется люминофор, светящийся под воздействием электронного луча. В качестве пикселов применяются такие же зерна люминофора, как и в ЭЛТ-мониторе, что позволяет получить чистые и сочные цвета, свойственные обычным мониторам. Однако активизация этих зерен производится не электронным лучом, а электронными ключами, подобными тем, что используются в ЖК-мониторах, построенных по TFT-технологии. Управление этими ключами осуществляется специальной схемой, принцип действия которой аналогичен принципу действия контроллера ЖК-монитора.
Органические светодиодные мониторы (Organic Light-Emitting Diode Displays - OLEDs), или LEP-мониторы {Light Emission Plastics - светоизлучающий пластик), по своей технологии похожи на ЖК-и ELD-мониторы, но отличаются материалом, из которого изготавливается экран: в LEP-мониторах используется специальный органический полимер (пластик), обладающий свойством полупроводимости. При пропускании электрического тока такой материал начинает светиться.
Основные преимущества технологии LEP по сравнению с рассмотренными:
низкое энергопотребление (подводимое к пикселу напряжение менее 3 В);
простота конструкции и технологии изготовления;
тонкий (около 2 мм) экран;
малая инерционность (менее 1 мкс).
Выбор той или иной модели монитора зависит от характера информации, с которой будет работать пользователь, и задач, которые он ставит перед собой, а также от суммы выделенных средств на приобретение монитора. Российский рынок мониторов Постоянно пополняется новыми моделями. Если модель уже выбрана, при выборе конкретного экземпляра полезно следовать Приведенным ниже рекомендациям.
Вопросы для самоконтроля:
Принцип работы жидкокристаллических мониторов;
Основные характеристики жидкокристаллических мониторов;
Подключение мониторов на основе ЖК;
Установка режимов работы жидкокристаллических мониторов;
Принцип работы плазменных дисплеев;
Принцип работы электролюминесцентных мониторов;
Принцип работы мониторов электростатической эмиссии;
Принцип работы органических светодиодных мониторов.
Тема 5.3 Проекционные аппараты
Студент должен:
иметь представление:
об устройствах отображения информации
знать:
Проекционные аппараты. Оверхед- проекторы и ЖК панели. Мультимедийные проекторы: принцип действия и классификация. Принципиальные схемы TFT- проекторов, полисиликоновых проекторов, D-ILA, DMD/DLP- проекторов. Их достоинства и недостатки. Принцип действия 3D- проекторов. Основные характеристики мультимедийных проекторов.
Методические указания
Проекционный аппарат (проектор) (от латинского projicio - бросаю вперед) - оптико-механический прибор для проецирования на экран увеличенных изображений различных объектов.
Принцип действия проекционных аппаратов заключается в проецировании с помощью оптической системы на экран изображения объекта, нанесенного на тонкой полупрозрачной пленке, при освещении его мощной проекционной лампой. В результате изображение может быть показано большой аудитории.
Современные проекционные аппараты служат для демонстрации прозрачных объектов: диапозитивов (кодопроекторы), диафильмов (диапроекторы), непрозрачных (эпипроекторы), а также тех и других (эпидиапроекторы). Проекционные аппараты применяются для презентаций, в качестве технических средств обучения. Поскольку в настоящее время весомая часть информации находится в электронном виде, возникла необходимость проецирования на экран изображения с экрана монитора.
Конструкции и принципы действия модуляторов отличаются большим разнообразием, хотя в основном они построены на базе ЖК-панелей. Все компьютерные проекторы можно разбить на две группы:
универсальные проекторы (оверхед-проекторы) общего назначения; в качестве источника изображения в них используется специальный внешний модулятор - ЖК-панель;
мультимедийные проекторы со встроенным модулятором.
На компьютерный проектор подается RGB-сигнал, снимаемый с выхода видеоадаптера ПК, а также обычный видеосигнал, источником которого может быть бытовая или полупрофессиональная видеоаппаратура. Проекторы, в которых в качестве входного используется только видеосигнал, называются видеопроекторами.
Оверхед-проектор (Over Head Projector - проектор, расположенный над головой) - проекционный аппарат, в котором изображение от источника проецируется на экран при помощи наклонного проекционного зеркала. Конструктивно в зависимости от места размещения проекционной лампы оверхед-проекторы разделяются на отражательные и просветные.
Отражательные проекторы представляют собой малогабаритные устройства, предназначенные для проецирования изображений, нанесенных на специальную прозрачную пленку. Отражательные проекторы не могут использоваться совместно с ЖК-панелями, поскольку мощность проекционной лампы у них невелика.
Просветные проекторы отличаются тем, что у них проекционная лампа размещается под рабочей поверхностью устройства внутри его основания, мощность лампы увеличена в десятки раз и имеется ее принудительное охлаждение с помощью вентилятора, как показано на оптической схем. Это позволяет использовать в качестве источника изображения не только прозрачные пленки, но и менее прозрачные ЖК-панели.
ЖК-панель, подключенную к видеоадаптеру ПК, устанавливают на прозрачную рабочую поверхность проектора как прозрачную пленку. Световой поток от проекционной лампы через специальную фокусирующую линзу освещает ЖК-панель и, проходя через нее и рассеивающую линзу, поступает на проекционное зеркало.
По конструкции и габаритам ЖК-панель напоминает дисплей ПК типа Notebook, причем на ее корпусе расположены органы управления параметрами изображения.
Качество изображения, формируемого оверхед-проектором, подключаемым к компьютеру, определяется характеристиками ЖК-панели, которые аналогичны характеристикам плоскопанельных ЖК-мониторов: размер, максимальное разрешение, количество воспроизводимых оттенков цветов, яркость. В зависимости от разрешения экрана различают ЖК-панели следующих типов с соответствующим максимальным разрешением экрана: VGA-панели (640x480); SVGA-панели (800 х 600); XGA-панели (1024x768); SXGA-панели (1280х 1024).
В VGA-панелях, рассчитанных на небольшую аудиторию, в качестве экрана используется пассивная ЖК-матрица, основанная на применении технологии DSTN; в более качественных панелях используется активный TFT-экран.
В мультимедийном проекторе проекционная лампа, ЖК-матрица и оптическая система конструктивно размещаются в одном корпусе, что делает их похожими на диапроекторы, предназначенные для просмотра слайдов или диафильмов. По принципу действия мультимедийный проектор не отличается от оверхед-проектора: изображение создается с помощью мощной проекционной лампы и встроенного в проектор электронно-оптического модулятора, управляемого сигналом видеоадаптера ПК, а затем посредством оптической системы проецируется на внешний экран. Основным отличием в мультимедийных проекторах является конструкция модулятора и способы построения и переноса изображения на экран. В зависимости от конструкции модулятора проекторы бывают следующих типов: TFT-проекторы; полисиликоновые проекторы и DMD/DLP-проекторы.
В зависимости от способа освещения модулятора мультимедийные проекторы подразделяют на проекторы просветного и отражательного типов.
В TFT-проекторах, относящихся к проекторам просветного типа, в качестве модулятора используется малогабаритная цветная активная ЖК-матрица, выполненная по технологии TFT.
Основным элементом установки является миниатюрная ЖК-матрица, выполненная по технологии TFT, как и ЖК-экран плоскопанельного цветного монитора. Равномерное освещение поверхности ЖК-матрицы достигается за счет применения системы линз, называемой конденсором.
Полисиликоновые мультимедийные проекторы также относятся к проекторам просветного типа и применяются в том случае, когда необходимо получить более яркое изображение. В них используется не одна цветная TFT-матрица, а три монохромных миниатюрных ЖК-матрицы размером около 1,3". Каждая из матриц формирует монохромное изображение красного, зеленого или синего цвета. Оптическая система проектора, обеспечивает совмещение трех монохромных изображений, в результате чего формируется цветное изображение. Такая технология получила название полисиликоновой (p-Si). Каждый элемент полисиликоновой матрицы содержит только один тонкопленочный транзистор, поэтому его размер меньше, чем размер элемента TFT-матрицы, что позволяет повысить четкость изображения.
Цветоделительная система полисиликонового проектора, состоящая из двух дихроичных (D u D 2) и одного обычного (Ni) зеркал, используется для разложения белого света проекционной лампы на три составляющие основных цветов (красный, зеленый, синий). Цветоделение необходимо выполнить для того, чтобы подать на каждую из трех монохромных матриц световой поток соответствующего цвета. Дихроичное (цветоделительное) зеркало пропускает свет только одной длины волны (один цвет) и представляет собой хорошо отполированную стеклянную подложку с нанесенной на него тонкой пленкой из диэлектрического материала.
Система цветосмешения полисиликонового проектора состоит из двух дихроичных (D 3 , D 4) и одного отражающего (N 2) зеркал и служит для получения цветного изображения путем наложения одного на другой трех монохромных изображений, создаваемых соответствующими ЖК-матрицами.
Полисиликоновые проекторы обеспечивают более высокое качество изображения, яркость и насыщенность цветов по сравнению с проекторами на основе TFT-матриц. Они более надежны в работе и долговечны, поскольку три ЖК-матрицы работают в менее напряженном тепловом режиме, чем одна. Благодаря этому полисиликоновые проекторы можно использовать при проецировании изображения на большой экран в таких помещениях, как конференц-залы, кинотеатры.
ЖК-проекторы отражательного типа предназначены для работы в больших аудиториях и отличаются по принципу действия: модуляции подвергается не проходящий, а отраженный световой поток.
В настоящее время наиболее используемой в конструкциях ЖК-проекторов отражательного типа является технология DMD/DLP, разработанная фирмой Texas Instruments.
В DMD/DLP-проекторах отражательного типа излучение источника света модулируется изображением при отражении от матрицы. В DMD/DLP-проекторах в качестве отражающей поверхности используется матрица, состоящая из множества электронно-управляемых микрозеркал, размер каждого из которых около 1 мкм. Каждое микрозеркало имеет возможность отражать падающий на него свет либо в объектив, либо в поглотитель, что определяется уровнем поданного на него электрического сигнала. При попадании света в объектив образуется яркий пиксел экрана, а в поглотитель - темный. Такие матрицы обозначаются аббревиатурой DMD (Digital Micromirror Device - цифровой микрозеркальный прибор), а технология, на которой основан их принцип действия, - DLP (Digital Light Processing - цифровая обработка света).
Для получения цветного изображения используются проекторы двух вариантов: с тремя или одной DMD-матрицей.
В одноматричных DMD/DLP-проекторах полный цветной кадр формируется в результате последовательного наложения трех быстро меняющихся монохромных кадров: черно-красного, черно-зеленого и черно-синего. Смена монохромных кадров на экране незаметна благодаря инерционности человеческого зрения. Монохромные кадры образуются при последовательном освещении DMD-матрицы лучом красного, зеленого и синего цветов. Луч каждого цвета образуется за счет пропускания светового потока от проекционной лампы через вращающийся диск с красным, зеленым и синим светофильтрами. Управление микрозеркалами синхронизировано с поворотом светофильтра.
По сравнению с ЖК-технологиями технология DLP обладает следующими преимуществами: практически полным отсутствием зернистости изображения, высокой яркостью и равномерностью ее распределения. К недостаткам одноматричных DMD-проекторов следует отнести заметное мелькание кадров.
Вопросы для самоконтроля:
Проекционные аппараты;
Оверхед- проекторы и ЖК панели;
Мультимедийные проекторы: принцип действия и классификация;
Принципиальные схемы TFT- проекторов;
Принципиальные схемы полисиликоновых проекторов;
Принципиальные схемы D-ILA, DMD/DLP- проекторов. Их достоинства и недостатки;
Принцип действия 3D- проекторов;
Основные характеристики мультимедийных проекторов.
Практическая работа 6. Проекционные аппараты
Студент должен:
иметь представление:
об устройствах отображения информации
знать:
назначение, типы, функции проекционных аппаратов;
назначение и принцип работы оверхед- проектора и ЖК панели;
назначение и принцип работы мультимедийного проектора.
уметь:
подключать проекционные аппараты;
настраивать проекционные аппараты;
работать с проекционными аппаратами.
Тема 5.4 Устройства формирования объемных изображений
Студент должен:
иметь представление:
об устройствах отображения информации
знать:
назначение, виды устройств формирования объемных изображений
Устройства формирования объемных изображений: назначение, принцип действия стереоскопа, способы селекции. VR-шлемы. 3D- очки. 3D мониторы. 3D- проекторы
Методические указания
Устройства формирования объемных (трехмерных) изображений появились в качестве весьма дорогостоящих и недостаточно совершенных элементов системы виртуальной реальности. Однако в настоящее время эти устройства интенсивно совершенствуются, постепенно превращаясь в непременный атрибут домашнего мультимедийного ПК, поскольку объемный характер изображения имеет важнейшее значение для создания у пользователя подсознательного ощущения реальности наблюдаемой сцены.
По своей конструкции такие устройства принципиально отличаются от традиционных мониторов, поскольку в их основе лежит способ формирования трехмерных изображений, основанный на эффекте бинокулярного зрения, или стереозрения.
Шлемы виртуальной реальности (VR-шлемы)
Шлемы виртуальной реальности (VR-шлемы), называемые также кибершлемами, являются в настоящее время наиболее совершенными устройствами формирования трехмерных изображений. Помимо наличия двух индивидуальных экранов для каждого глаза VR-шлемы, благодаря своей конструкции, обеспечивают отсечение поля периферийного зрения человека, что усиливает эффект проникновения в виртуальный компьютерный мир.
В VR-шлемах используются миниатюрные экраны, выполненные на основе активных ЖК-матриц. Каждая из ЖК-матриц формирует цветное изображение, которое, благодаря особой конструкции шлема, видит только один глаз. Помимо экранов VR-шлем снабжен стереофоническими головными телефонами и микрофоном. Узел шлема, объединяющий в себе эти матрицы и органы регулировки, называют в и з о р о м. Визор дает возможность регулировать расстояние между матрицами по горизонтали, которое должно соответствовать расстоянию между зрачками пользователя, называемому IPD (Inter Pupil Distance). Визоры некоторых моделей шлемов оборудованы специальной оптической системой автоматического определения IPD, исключающей необходимость в индивидуальной настройке шлема.
Основным недостатком VR-шлема является недостаточно высокое разрешение стереоскопического изображения. Это обусловлено ограниченным количеством элементов ЖК-матрицы и малым расстоянием между глазом и визором, что делает зернистость ЖК-матриц заметной.
Важнейшей особенностью VR-шлемов является наличие так называемой системы виртуальной ориентации (СВО) (Virtual Orientation System - VOS), которая отслеживает движение головы и в соответствии с ним корректирует изображение на экранах. В случае поворота головы в одну сторону панорамное изображение «прокручивается» через ЖК-матрицы в противоположном направлении. В результате у пользователя возникает иллюзия стабильности наблюдаемой картины, ощущение реальности изображения. В зависимости от принципа действия и типа используемого поля различают магнитные, ультразвуковые и инерциальные СВО. Магнитные СВО распространены наиболее широко. В них используются миниатюрные магнитные датчики (катушки индуктивности). Магнитная СВО включает в себя блок внешних неподвижных передатчиков, выполняющих роль радиомаяков; датчик-приемник, расположенный на шлеме; системный электронный блок, который формирует электрические сигналы, поступающие на передатчик, и обрабатывает сигналы, принятые приемником. Интенсивность и фаза принятых сигналов зависят от расстояния между передающими и приемными катушками, а также от их взаимной ориентации. Обрабатывая передаваемые и принимаемые сигналы, системный электронный блок вычисляет пространственные координаты приемника относительно передатчика. Результаты вычислений передаются в PC через стандартный последовательный интерфейс RS-232 с частотой 50 - 60 Гц.
В ультразвуковых СВО вместо магнитных используются малогабаритные пьезокерамические преобразователи, выполняющие функции передатчиков и приемников. Обычно используются три передатчика и приемника, размещенные в шлеме. Системный блок посылает на передатчики электрический сигнал и регистрирует ультразвуковой сигнал. Измеряя временную задержку между посланным и принятым сигналом, а также зная скорость распространения звуковой волны (около 330 м/с), можно достаточно точно определить расстояние между передатчиком и приемником. Путем обработки результатов измерений расстояния между тремя парами датчиков рассчитывают положение и ориентацию шлема (головы пользователя) в пространстве.
Инерциальные СВО используются в VR-шлемах моделей, предназначенных в основном для профессионального применения. Свое название они получили благодаря использованию в них инерци-альных датчиков - гироскопов и акселерометров, не требующих для своей работы магнитных или ультразвуковых полей. С их помощью создается независимая инерциальная система координат, в которой отслеживается положение головы пользователя.
В качестве входного сигнала для VR-шлема может использоваться либо видеосигнал от бытовой видеоаппаратуры, либо RGB-сигнал видеоадаптера ПК. VR-шлемы с визорами, способными обеспечить разрешение не хуже 640 х 480, обычно рассчитаны на подключение непосредственно к видеоадаптеру ПК.
Помимо визора VR-шлем оборудован высококачественной стереофонической аудиосистемой. Источником звука может быть либо телевизор (видеомагнитофон), либо звуковая карта компьютера.
3 D -очки являются наиболее распространенными и доступными по цене устройствами формирования трехмерных изображений. Принцип их действия основан на использовании затворного метода разделения элементов стереопары. ЗD-очки используются в качестве дополнения к обычному монитору и могут подсоединяться к видеоадаптеру ПК при помощи гибкого провода длиной 2-3 м.
Принцип действия ЗD-очков заключается в том, что при последовательном отображении на мониторе левой и правой частей стереопары синхронно меняется прозрачность стекол очков. В результате каждый глаз видит только свою часть стереопары, что обеспечивает стереоэффект. Чтобы стекла ЗD-очков мог ли «терять прозрачность» по командам компьютера, их выполняют по технологии ЖК-ячейки просветного типа, использующей эффект поляризации. Поэтому 3D-очков иногда называют поляризационными. Поскольку прозрачность стекол 3D-очков изменяется синхронно со сменой изображения на экране вследствие управления сигналами видеоадаптера, их называют активными.
Таким образом, термины «активные поляризационные очки», «3D-очки» - синонимы; они обозначают устройства, работающие на одинаковом принципе.
Между ЗD-очками и шлемами виртуальной реальности есть принципиальные различия:
3D-очки изображения не создают, хотя также содержат ЖК-линзы, которые используются в качестве электронно-управляемого фильтра (затвора), поэтому качество формируемого изображения определяется монитором;
3D-очки лишены системы виртуальной ориентации, поэтому изображение на экране монитора никак не корректируется в зависимости от положения головы наблюдателя. В связи с этим при использовании ЗD-очков нет смысла перекрывать зону периферийного зрения, поэтому они выполняются в форме обычных очков. Подключение 3 D -очков к ПК производится в большинстве случаев с помощью дополнительного устройства - контроллера, который формирует синхросигнал для 3D-очков, управляющий поочередным затемнением стекол, и преобразует (при необходимости) выходной видеосигнал и синхросигналы видеоадаптера таким образом, чтобы обеспечить раздельный последовательный показ элементов стереопары на экране монитора.
В большинстве моделей 3D-очков контроллер выполняется в виде отдельного внешнего блока, хотя в настоящее время появилось много видеоадаптеров с интегрированными контроллерами для 3D-очков.
Современный рынок 3D-очков достаточно разнообразен. Преимущественно используются беспроводные модели, обеспечивающие связь с ПК с помощью инфракрасного передатчика, аналогичного телевизионному пульту управления.
Рекомендуем также
Отчет оо 2 версия 1.29 6. Телефоны для справок. Предоставление статистических данных
Как подключиться к Wi-Fi, если не знаешь пароль
Спасательный datalife engine версия для печати
Как написать сообщение самому себе в вк
Доверительный платеж МТС: инструкция по применению
Xiaomi Mi Car Charger fast version: пошаговая разборка устройства Автомобильная зарядка для телефона от прикуривателя xiaomi
Loading...