105
Министерство науки и образования Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Рязанский Государственный Радиотехнический Университет Факультет Вычислительной Техники Кафедра Электронных Вычислительных Машин КОМПЛЕКТ ЛЕКЦИЙ По курсу "ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ И СИСТЕМ" (для направления подготовки 654600 "Информатика и вычислительная техника") Специальности 220100 - Вычислительные системы, комплексы, системы и сети 220300 - Системы автоматизированного проектирования 220400 - Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем Форма обучения – очная

комплект лекций

  • View
    58

  • Download
    0

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Комлект леций по курсу "Организация ЭВМ и систем" РГРТУ 220100 220300 220400

Citation preview

Page 1: комплект лекций

Министерство науки и образования Российской ФедерацииФедеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Рязанский Государственный Радиотехнический Университет

Факультет Вычислительной Техники

Кафедра Электронных Вычислительных Машин

КОМПЛЕКТ ЛЕКЦИЙ

По курсу

"ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ И СИСТЕМ"

(для направления подготовки 654600 "Информатика и вычислительная техника")

Специальности 220100 - Вычислительные системы, комплексы, системы и сети

220300 - Системы автоматизированного проектирования

220400 - Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем

Форма обучения – очная

Page 2: комплект лекций

Лекция№1 Системы счисления и способы кодирования чисел на ЭВМ.Существует два типа систем счисления: позиционная и непозиционная. Позиционная – в

которой вес каждого разряда зависит от его положения относительно точки. Непозиционная, например римская, в ЭВМ не применяется.

Число в позиционной системе счисления с фиксированной точкой.

Вес разряда это , где номер разряда.

В машинах числа с фиксированной точкой используются для представления мантисс, либо в специализированных малых ЭВМ для представления чисел.

В машинах общего применения используется представление с плавающей точкой, что обеспечивает увеличение диапазона представимых чисел.

Число с плавающей точкой:

S - знак,M – мантисса,p – порядок.Мантисса – нормализованное число со знаком.Нормализованное – в старшем разряде стоит единица. Мантисса может быть целой или

дробной.

00.00101 – не нормализованное, два нуля нужно убрать.

Для исправления нарушения нормализации, в нашем примере, мантисса сдвигается на два разряда влево, при этом порядок надо уменьшить на две единицы. При выполнении операции нарушения нормализации вправо возможно на сколько угодно разрядов.

Мантисса нормализованная

(n – число разрядов)

Нарушение нормализации влево возможно на один разряд, т.к. нормализованная мантисса

. Для нарушения нормализации влево и отводится 2 знаковых разряда.

00. положительное нормализованное01. отрицательное нормализованное01. положительное не нормализованное10. отрицательное не нормализованное

В реальных ЭВМ используется только положительный порядок.

p заменяем (сдвигаем).Существует дополнительный код, обратный код и прямой код. Положительные числа во всех 3-х кодах представляются одинаково: :Отрицательные:

Page 3: комплект лекций

Реально в машинах используется дополнительный код.Логические операции.

1.Отрицание НЕ (инверсия)

0 11 0Узелочек, который её делает обозначается:

Одноместная операция ( на одной операции):2. Логическое сложение. ИЛИ ( )

0 0 00 1 11 0 11 1 1

Узел, который делает эту операцию:

(слева вход, справа выход)Логическое умножение. И ( )

0 0 00 1 01 0 01 1 1

Узел: 4. Сумма по модулю 2. (исключающее или):

0 0 00 1 11 0 11 1 0

Узел:Двойка по модулю 2 это ноль.На практике из-за особенностей производства микросхем используют эелементыИ-НЕ ИЛИ-НЕ

Page 4: комплект лекций

Для связи неинвертированных логических операций с инвертированными используется правило де Мотана.

Элементы и узлы ЭВМ.Существуют два типа узлов: комбинационные и с памятью.Комбинационные построены только на логических схемах без элемента памяти, сле6довательно обладает большим быстродействием, но их выходной сигнал существует только тогда, когда существует входной.Комбинационные.Дешифратор:

- Декодер

На вход подается произвольная комбинация в виде n разрядного кода с выхода снимается m разрядный код вида 000001000 (только одна единица) в разряде соответствующем цифре входного кода. Определяем номер чего-то (если x все единицы, то единица на последнем месте).Появляется 1 на том проводе, который подключен к тому ПУ, к которому нужно обратится.

0 0 1 0 0 00 1 0 1 0 01 0 0 0 1 01 1 0 0 0 1Возможен вариант неполного дешифратора. В полном .Например нужно управлять 3-мя устройствами ( - столбец не нужен). Для 3-х выходов нужно все равно 2 входа, поэтому комбинацию 11 использовать не будем (называется запрещенная комбинация).Шифратор:

- Кодер.

Определяет номер устройства, которое обратилось к машине, на выходе должен появится адрес этого устройства. На входе появляется 1 в том проводе, который подключен к обратившемуся ПУ.Вход: 010…0 – код.Выход: N – номер адреса.Коммутатор:

Page 5: комплект лекций

Вход: 4 сигнала , два сигнала управляющие (кого с кем соеденить).Комбинационный сумматор

- перенос, если в старшем разряде 2 еденицы.Полный сумматор:

АЛУ

I – инструкцияСкладывает, вычитает, И, ИЛИ, НЕ.Разрядность I: m=[log Количества команд]

Лекция№2 Узлы с памятью.Триггер – устройство, предназначенное для приема, хранения, выдачи 1 бита информации.Два устойчивых положения: 0 и 1.

Если триггер находится в состоянии 1, то на Q: 1, а на : 0, а на S надо 1. Если триггер в состоянии 0, то на входе R надо подать 1, тогда на Q: 0, : 1. RS – триггер.Есть другие разновидностиJK – триггер.D – триггер. (выходы остаются, входные сигналы другие).

Page 6: комплект лекций

Если поставить цепочку триггеров, то получится регистр.Регистр

n – разрядов. n=8.В более сложных регистрах существуют виды управления. Например:

У регистра, который имеет вход CS, рисуется знак◊. Подано слово на входы, оно не запишется, пока не подадим сигнал на С. Сигнал подается на все регистры, но записывается только на тот, на котором сигнал С. Слово записано, но на выходах его нет. Выходы тоже можно соеденить одной шиной. Если мы захотим считать какое-нибудь слово, то на тот регистр подается сигнал на CS. Рисунок регистра:

Page 7: комплект лекций

Сдвиговый режим.Для приема, хранения, выдачи и сдвига данных слов влево или вправо на заданное число разрядов. На рис. стрелка: куда сдвигать

Три типа сдвиговых регистров:- логический- циклический- арифметический.В логических сдвигаются все разряды, выезжающие биты теряются, на освобожденные места записываются другие.В циклических сдвигаются все разряды, выезжающие биты въезжают на освободившиеся места.

Арифметически сдвигаются только значащие биты, знаковые стоят, выезжающие теряются, на освободившиеся места пишется знак. (расширение знака). При сдвиге на 1 разряд влево, оно умножается на 2, вправо – делится на 2.00.1010 – было такое число (+10), сдвигаем вправо на 1 разряд.

(+5).

(10)ДК сдвигаем вправо на 1 разряд.

(-5)ДК.

Счетчики.Для приема, хранения выдачи кода и суммирования или вычитания поступающих на его специальный вход единичных сигналов.

Page 8: комплект лекций

Временная диаграмма

С=+1 суммирующий счетчик.С= -1 вычитающий счетчик

реверсивный счетчик.Накапливающий сумматор.

Пусть B=0, тогда С:=С+А.АЛУ.

Page 9: комплект лекций

АКК – аккумулятор, слева регистр флагов. Флаги – двоичные признаки результатов операции.Сложение двоичных чисел.

1. Числа с фиксированной точкой.Складывается в столбик, вычитание заменяется сложением с отрицательным числом и осуществляется в дополнительном коде.

Исходные числа в 2 раза меньше и потом эту двойку учитывают. Этим ВТ с фиксированной точкой не удобна. Ошибка равна весу младшего разряда, большие числа не посчитать.

2.Числа с плавающей точкой.

либо целое со знаком, либо дробь со знаком. Вес каждого разряда зависит от p, p – сдвиг мантиссы влево или вправо. Мантисса должна быть нормализованной, чтобы точность была максимальной.1. Выравнивание порядков.

Если порядки разные, то меньший порядок увеличивается до большего. Для сохранения значения меньшего числа, его надо сдвинуть вправо на разрядов.2. Сложение мантисс в дополнительном коде по методике пункта – сложение чисел с фиксированной точкой.В результате получим

- она может получится не нормализованной.Нарушение нормализации возможно влево на 1 разряд, вправо на сколько угодно.3. Нормализация.

Нормализация заключается в сдвиге мантиссы влево или вправо на до появления 1 в старшем значащем разряде и уменьшении или в увеличении порядка соответственно на число сдвигов.

Умножение двоичных чисел. 1. с фиксированной точкой.Осуществляется в столбик.Пр. 1010х0011 (10х3)

Процесс умножения занимает n тактов, где n – число разрядов, при умножении двухразрядных чисел получается 2n разрядное число.

Page 10: комплект лекций

Процедура умножения заключается в следующем:1. Анализируется младшая цифра множителя, если там 1, в сумматор частных произведений пересылается множимое.2. Анализ следующей цифры множителя. если там 1Ж, в сумматор частного произведения добавляется сдвинутое на 1 разряд влево значение множимого, если там 0, то множимое сдвигается на 1 разряд, но не суммируется.Возможны 4 алгоритма умножения.

Блок- схема множительного устройства.

Лекция№3 Операционное устройство ВМ.ОУК предназначено для выполнения некоторого набора операций над цифровой информацией (процессор)Состав ОУ:

Page 11: комплект лекций

Управляющий автомат и операционный автомат.Управляющий – вырабатывает управляющие сигналы для ОА, который выполняет операции.{Op} – сигналы, управляющие множеством операций{Д} – множество данных, операндов.{R} – множество результатов{ОС} – множество осведомительных сигналов (сигналы обратной связи).{УС} – управляющие сигналы.{ОС} иногда обозначается как {x}, а {УС} как {y}.Последовательность выбора УС зависит от выполняемой операции, от алгоритма операции и от значений осведомительных сигналов.Одновременно выполняется только 1 операция.

Микрооперации, микрокоманды, микропрограммы.Микрооперация – элементарное действие по преобразованию и передаче информации.Например: Рг1:=Рг1+Рг2 (сложение двух регистров);Рг1:=ShlРг1,2 (сдвиг влево на 2 бита)Рг1:=Рг2 (перемещение)Каждая микрооперация осуществляется по соотвествующему УС.Микроприказы – управляющие сигналы, вызывающие микрооперации.Микрокоманда – совокупность одновременно выполняемых микроопераций. Микрооперации обозначаются y1, y2, …, микрокоманды Y1, Y2 ….Микропрограмма – последовательность микрокоманд и логических условий, по которой осуществляется заданная операция.Управляющие автоматы, реализующие микро программы называются микропрограммными автоматами.

Управляющие автоматы.Типы УА.1. УА с жесткой логикой (запаянной логикой)2. УА с программируемой логикой (хранимой)Автоматы с жесткой логикой реализуются на триггерах и электронных логических элементах. Для изменения алгоритма требуется изменение схемы автомата.УА с программируемой логикой. Микрокоманды задаются с помощью запоминающего устройства, где микрокоманды – двоичные слова, это аналогично слова, хранимым в основной памяти АПЛ.

Автоматы с программируемой логикой (АПЛ).

Page 12: комплект лекций

Код операции.Преобразование Начального АдресаБлок Формирования АдресаМикропрограммная ПамятьБлок Формирования Управляющих СигналовБлок СинхронизацииТактовый ГенераторМикрокоманды описываются в Регистре МК.Основа автомата – МПП.ОЧ РгМК – кодируются МК, ОЧ поступает на БФУС. АЧ определяет адрес следующей команды или способ его получения.Исходное состояние: на входе БФА адрес очередной микрокоманды. По такту t1 чтение МК в РгМК, по такту t2 срабатывает БФУС, по этим сигналам выполняются микрооперации в операционном автомате. При выполнении операции в ОА формируются осведомительные сигналы. Осведомительные сигналы играют роль логических условий. В третьем такте в зависимости от адресной части (АЧ) и значений осведомительных сигналов формируется адрес следующей микрокоманды. И все так продолжается до команды остановки.При выполнении некоторой программы происходит выборка команд этой программы. Выбор очередной команды происходит по определенной микрокоманде. После выборки команды код операции преобразуется в начальный адрес микропрограммы с помощью ПНА.Начинается выполнение МК. После окончания микрооперации происходит возврат к команде выборки команд.

Процессор.Операционный Блок и Блок микропрограммного управления.Операционный блок:РЗУ – регистровое запоминающее устройство.

Page 13: комплект лекций

АЛУ – арифметико – логическое устройство.В АЛУ операнды поступают из РЗУ, из оперативной памяти, из поля const или из РгQ – рабочий регистр.Сдвигатель. После АЛУ результат подается на сдвигатель. Результат поступает в оперативную память, то он поступает в RgW – регистр записи, в РЗУ.Управление передачей осуществляется полями DST и WM.RAM (ОП) – память с произвольным доступом.ПоляA,B адреса регистров РЗУ, 2 ре6гистра одновременно.Запись происходит по адресу поля B. Имеют по умолчанию значение 0 (регистр AX).MA, MB управляют мультиплексорами, управляют выбором источников адресов. По умолчанию адреса выбираются из A и B.SRC (SouRCe) управляет выбором источников операндов (обычно регистры).ALU – управляет операцией, выполняемой в арифметическом устройстве. При операции сложения и вычитания предусмотрено C0. C0 – значение входного переноса. Предусмотрены 16 разрядные числа, но можно сложить и большеразрядные. Сначала можно сложить младшую часть числа, потом старшую часть.CCX – поле входного переноса, задает значение C0: 1, 0 или флажок C.CHA – управление сдвигом. Сдвиг вправо, влево, сдвиг логический (сдвигается код, включая знаковый бит: ), сдвиг арифметический.(1011/1101 1 –знак сохраняется)Для сдвига влево только арифметический сдвиг. Сдвиг сразу на 2 бита,двойной сдвиг (сдвиг двойного числа), сдвиг на 4 бита влево- преобразование из десятичного кода в двоичный. Расширение знака.

Команда безусловного перехода: смещение прибавить к указателю команды МР. Если число положительное Kon должны заменить 0-ми, если отрицательное, то 1-ми. F-фиксация флажков. При выполнении операции формируются признаки результата (нуля, переноса. Знака переполнения).Флажки бывают двух видов: текущие, можно использовать для управления текущими адресами, с помощью поля F можно флажки зафиксировать.

Блок микропрограммного управления.SHA – управление следующим адресом. Задаём способ формирования следующего адреса.CHA – управление следующим адресом. По умолчанию const- продолжение в естественном порядке(к адресу прибавляем 1, получаем следующий)JZ – переход по нулевому адресу(переход к первой микрокоманде).JMAP – переход по «карте»- переход по коду операции.В управляющем автоиате был преобразователь начального адреса.

Программа:

МПр

KOn Смещ.

ПНА

Код операции

Нач.адрес микропрограммы операции

МПр выборки команды

Мпр пересылки

МПр сложенияМПр деления JZ

10 10+n

0 1

Page 14: комплект лекций

CJP – условный переход.Здесь необходимо указать условие перехода и адрес перехода. Адрес перехода указывается в поле const. Условие перехода- поле СС.Условия могут быть простыми: Флажок Z - нуль N - знак V - переполнение C - перенос

Бывают более сложные: ≤ или ≥Если х=1, то переход происходит (СС) z=1 - это 0 или =,z=0 – это не 0.

Инверсия условия: N* *-это указатель того, что условие может быть проинвертировано.Флажки могут быть текущими, могут быть фиксированными. Поле F их фиксирует.Существует безусловный переход, также предусмотрено средство, чтобы условный переход становился безусловным.

JFI – трех битовое поле. Эти биты рассматриваются по отдельности.J – признак безусловного перехода.F – использование фиксированных флажков.I – инверсия условия. 101 – признак STOP.

CJS – условный переход в подпрограмме.

Адрес возврата – текущее состояние счетчика микропрограмм.CRTN – условный возврат из подпрограммы.

С помощью блока микропрограммного управления можно выполнить циклы.RACT – регистр адреса, счетчик. В него можно загрузить счетчик циклов, а потом проверять, выполнимо ли нужное количество циклов.

LDCT – загрузчик циклов, используя const записываем число циклов.

RPCT – переход по счетчику.Проверяется состояние счетчика: -если счетчик =0, то продолжается программа в естественном порядке (циклы заканч.) -если ≠0, то из него вычитается единица и переход в начало цикла (адрес начала цикла в поле сonst).Если нужно сделать 10 циклов,то нужно в счетчик записать 9.Лекция№4 Способы кодирования микрооперации в АПЛ.

ОЧ АЧ CONST

Page 15: комплект лекций

3 способа кодирования микрооперации:1) горизонтальное (унитарное)2) вертикальное (не убыточное)3) комбинированное (МК с полевой структурой).

1. Горизонтальный.y1, y2,…,ym – микрооперации (1 бит для каждой)m бит – длина операционной части.Y5= {y1,y3,y8} m=9101000010

Р2 МК

Т2

2. Вертикальный.Y1,Y2,…,Ym – набор микрокоианд.В операционной части кодируются микрокоманды.Длина операционной части: Lоч={log2(M=1)}.Имеется также пустая микрокоманда, она кодируется нулями.

T2

Y1 Y2 … Ym

y1 y2 … ym

Недостаток: много микрокоманд→схема шифратора очень сложная. Для упрощения схемы число микроопераций в одной микрокоманде снижается (до 1), при этом шифратор становится ненужным.Недостаток: снижений производительности, т.к. микрооперации, которые могут выполняться параллельно-выполняются последовательно.

3. Комбинированный (горизонтальный).Наиболее распространенный способ.

ОЧ АЧ

& & ….. &

11

2 … m

y1 y2 ….. ym

Оч 1

Мк L

OC

C

Page 16: комплект лекций

Все множество микроопераций разбивается на подмножества, причем из микроопераций одного подмножества одновременно выполняется не более одной (подмножества несовместимых микроопераций).Чаще всего разбиение на подмножества происходит по функциональному признаку. Для каждого операционного автомата применяется своя операция.

ALU (сложение, вычитание, и, или,…) одновременно только 1.Сдвигатель (логический, арифметический, вправо, влево) только 1.

Для каждого подмножества в ОЧ МК выделяется свое поле (поле управления памятью, АЛУ, сдвигатель).

T2

{y1} {y2} ……. {yk}

Длина операционной части: Lоч=∑Li Li={log2(mi+1)} 1) mi=1, mi=2 дешифратор не нужен. 2) Прямое кодовое управление узлами операционного автомата. Управление узлом осуществляется не узлами операций, а двоичным кодом.Прямое кодовое управление осуществляется двоичным кодом, поступающим на управляющий вход функционального узла,например, АЛУ, сдвигателя, мультиплексора и т.д. В этом случае дешифраторы в АПЛ не требуется, прямо из регистра команд подается управляющий код.

Способы адресации АПЛ.1. Принудительная адресация МК.2. Естественная адресация.3. Функциональная адресация.4. Программируемая адресация.

1. Принудительная адресация МК. Адрес следующей МК задается принудительно (указывается текущая МК), чаще всего используется 2 адреса.

В поле Х указывается индекс проверяемого логического условия. Если условие не проверяется, но не выполняется, переход происходит по адресу А0. Если условие проверяется и выполняется, то переход происходит по адресу А1.В случае отсутствия условия поле Х=0.хх – условие, если хх=0, то А0

если хх=1, то А1

Р2МК

F1 F2 ……… Fk

DC1 DC2 ………. DCk

ОЧ х А0 А1

Page 17: комплект лекций

{х} Т3

хx

{х} – сигналы логических условий, из них один хх идет на мультиплексор адреса, синхронизируется работа тактом Т3

МКУ: х

1 2 ……. L

хх

Возможно использование принудительной адресации: если х=0, то переход по адресу А если х=1, то переход по адресу А+1.

2. Естественная адресация.

Если условие не проверяется или проверяется, но не выполняется, то следующая микрокоманда выбирается в естественном порядке (прибавляется 1 к адресу текущей МК).Если условие проверяется и выполняется, то переход происходит по адресу А. При естественной адресации кроме условных переходов возможен и безусловный. Безусловный переход может кодироваться специальным блоком или некоторым специальным значением поля х.

{x}

+1

После выборки очередной МК К счетчику прибавляется 1. Если должен быть переход, то содержимое счетчика заменяется полем адреса.

Y X A0 A1

МКУ МХ

Р2АМК

DC

& & & &

1

Y X A

Х 1 А 0

1 & 2МКУ

СчМК

Page 18: комплект лекций

2. Функциональная адресация. При сакой адресации адрес очередной МК или его часть определяется некоторым внешним источником.Функциональная адресация применяется также для сокращения числа МК, связанных с условными переходами. Рассмотренные способы адресации позволяют разветвление МК в одной МК не более, чем по двум направлениям, а иногда необходимо большее число направлений.

0 0

1 1

0

1

Первая МК охватывает оператор Y1 и условие х1, но затем должны анализировать условие х2 в двух ветвях, которое охватывает две МК. Тем самым увеличилось число МК, а следовательно и время. Как можно уменьшить:

Хх2

Хх1

адрес след.МК

Усложнив структуру МК, мы можем получить разветвление на 4 направления. Увеличивается длина МК, занимается память, но не всегда ведь все 4 адреса нужны. Такой подход приводит к чрезмерному увеличению длины МК и не эффективно используется микропрограммной памятью. Поэтому был Придуман другой подход.

{x} Хх1

Y1

х1 х2

х2

MKa MKb

MKC MKd

Y x1 x2 A00 A01 A10 A11

МКУ1 МКУ2

МХА

x1 x2 A a1 a2

МКУ1 ЛС

Page 19: комплект лекций

Хх2 z1

z2

Xx1 z1 Xx2 z2

ЛС – логическая схема.

Выделяется 2 младших бита адреса a1, a2. Старшая часть адреса А передается в Р2АМК без изменений. Значение младших битов адреса определяются логической схемой.

а1, если условие первое не проверяется (х1=0) α1= Хх1, если х1≠1

а2 ,если х2=0 (z2=1) α2= Xx2, если х2≠0

Основная идея: вместо битов адреса используются значения проверяемых логических условий.

Хх1 Хх2 Адрес МК МК

0 0 А . 00 МКd 0 1 А . 01 MKc 1 0 А . 10 MKb 1 1 А . 11 MKa

Недостатком этого способа является ограничение на размещение МК в памяти и следовательно усложнение программирования и, возможно, направление дублирующих МК (размножение одинаковыхМК).

Пример:

0 0

1 1

Лекция№5Микропрограммируемая адресация.

В состав МК вводится понятие спец. поля, которое управляет режимом адресации. С помощью этого поля можно задавать, например, естественный порядок адресации, вызов подпрограммы возврата

А α1α2

МКУ2

х1 х2MKa

MKb

Y1

Page 20: комплект лекций

Микропрограммные автоматы с жесткой логикой.Общая структура МПА с жесткой логикой: T A {y} {d}

Автомат характеризуется множеством состояний а0, а1,…,ак. Для фиксации состояний используется память (на триггерах).{x} – логические сигналы.{y} – управляющие сигналы.{d} – сигналы, изменяющие состояние автомата.Любые цифровые автоматы характеризуются двумя функциями:

1. Функция переходов – определяет закон изменения состояния.2. Функция выхода – определяет закон выработки выходных сигналов.

Существует 2 основных выхода автомата:Автомат Мили и автомат Мура.

Функция перехода (а-т Мили) а(t+1)=f(a(t),x(t))Функция выхода (а-т Мили)y(t)=φ(a(t),x(t))a(t) – состояние автомата в момент времени t.a(t+1) – следующее состояние автомата в следующий момент.Автомат Мура:Функция перехода а(t+1)=f(a(t),x(t))Функция выхода y(t)=φ(a(t))

Пример автомата Мура (триггер):

d1 а0 y1

y2

а1 … yL

d2 am

d1

d3 d2

x1

x2 dn …. xL

Память состояний МПА

Дешифратор состояний

Комбинационная схема

D T

C 1

D T

C 0

D T

C n

DC

Ком

бина

цион

ная

схем

а.

Page 21: комплект лекций

Порядок построения МПА Мили.На основе кодированных ГСА.Р21:=Р22+Р23СчТ≠0Построение идет в следующем порядке:

1) На ГСА отмечается состояние автомата2) Определяется число состояний, выбираются коды состояний и определяется число

триггеров.3) Строится граф автомата или структурная таблица.4) По графу или структурной таблице строится комбинационная схема на

функциональном уровне.5) Реализуется на каких-то конкретных элементах (принципиальная схема).

Схема и алгоритм деления целых чисел.Существуют 2 основных алгоритма деления: - деление с восстановлением остатка - деление без восстановления остатка.Деление выполняется с помощью вычитания и сдвигов. На каждом шаге производится сравнение делителя с остатком.Вычисление частного: если один из остатков больше или равен делителю, то очередная цифра частного будет равна 1 если остаток меньше меньше делителя, то цифра частного равна 0.Цифра частного вычисляется поразрядно, начиная со старшего разряда.Если остаток ≥делителю, то из этого остатка – делитель, а полученное значение удваивается. Удвоение производится путём сдвига влево. В алгоритме с восстановлением остатка восстанавливается прежний остаток, а потом идёт удвоение. В алгоритме без восстановления удваивается отрицательный остаток.

Деление целых чисел.Обычно делимое является двойным словом. Делитель и частное – слово.Соотношение делимого и делителя должно быть таким, чтобы частное не выходило за пределы разрядной сетки.

n-1 0 Zn-1 делимое делитель

Сл-В4

знак S

Запись Уст. 1 -1

n-1 0

А ВР22

Р23

Page 22: комплект лекций

частное СчЦ≠0Y,y – для управляющего автомата (для удобства упрощаем схему).

Структурные таблицы МПА Мили.Число строк таблицы равно числу путей из одного состояния в другое.Существует 2 вида таблиц: прямая и обратная.Различаются порядком расположения строк.В прямой строки упорядочены по исходному состоянию. В обратной – по состоянию перехода.

аи К(аи) апер К(апер) X- Y Dа0 000 а1 001 -- Y1:1,2 d3а1 001 а2 010 -- Y2:3 d2

а2 010а3

а3

011 011

(х1)-1

х1Y3:4 Y4:5

d2d3 d2d3

а3 011 а4 100 -- Y5:6,7,8 d1

а4 100а0

а2

000 010

(х2)-1

х2--- Y2:3

--- d1

Обратнаяаи апер К(аи) X Y Dа4 а0 000 (х2)-1 --- ---

начало

Рг3:=0РчЦ:=n

А:=А-Р22

SЕ:=1 А:=А+Р22

Р21:=L1(P21)

А:=А-Р22

S Р23[0]:=1

A:=A+P22

P21:=L1(p21)P23;=L1(P23)CчЦж=СчЦ-1

СчЦ≠0

конец

конец

Page 23: комплект лекций

а0 а1 001 -- Y1:1,2 d3

а1

а4 а2 010--- х2

Y2:3 Y2:3 d2

а2

а2 а3 011(х1)-1

х1Y3:4 Y4:5 d2d3

а3 а4 100 --- Y5:6,7,8 d1

Комбинационная схема:1) на электронных логических элементах2) на ПЛМ.

Первый шаг построения схемы:Входами схемы являются сигналы состояний условий

а0 y1y2d3 y1 y2 1 а1 y3 d2 2

a4

x2 3

a2 y4d2d3 4 x1

a2 y5d2d3 5 x1

a3y6y7y8d1 6

На втором месте для всех сигналов, которые встречаются более чем 1 раз, заводят в схему ИЛИ. Сигналы, которые встречаются только 1 раз снимаются непосредственно с выходов коньюктора.

&

&

&

2 3 4 5

1

1

1 4 5

Page 24: комплект лекций

Матрица – схемный элемент для реализации многовходных и многовыходных переключателей функций.ПМЛ состоит из двух матриц: И и ИЛИ. При построении автомата на ПМЛ дешифратор состояния обычно не используется, а входами матрицы являются непосредственно выходы триггера. Входами первой матрицы (И) являются выходы триггеров и входы логических условий. Строить удобно по пряной таблице.

Матрица ПМЛ состоит из двух схем1) Матрица И2) Матрица ИЛИ

Прямая структурная схема:

И

ИЛИ

Лекция№6 Арифметические действия

Умножение

Методы ускорения умножения основаны на одновременном умножении сразу на несколько разрядов.0 00 – сдвиг на 2 бита1 01 – сложение, сдвиг на 2 бита2 10 – прибавление удвоенного множимого, сдвиг на 2 бита3 11 – вычитание множимого, +1 к следующей паре разрядов, сдвиг на 2 битаПрибавление утроенного множимого, сдвиг на 2 бита – дорогой метод.

Page 25: комплект лекций

Например:3 = 4 – 1

Фактически такой алгоритм реализует преобразование множителя в с. с. с цифрами 0, 1, -1

1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 110 0-1 0 1 0-1 1 0 0 0 0-1

Необходимо предусмотреть 1 дополнительный бит на случай переноса.b1, b0 – младшие биты множителяс – перенос в следующую пару в специальном тригере.

Таблица всех возможных комбинаций

Аналогичным образом строится умножение на три бита множителя, но эффект не превышает затраты.

Комбинационный умножитель

В комбинационном умножителе умножение производится за 1 такт. К. у. могут быть матричного типа и пирамидальный (многослойный)Рассмотрим пирамидальный комбинационный умножительb7, b6, … b1, b0 – биты множителя, начиная со старшего.

Page 26: комплект лекций

Слой 0 состоит из линеек коньюкторов (вентелей), управляемых битами множителя. Получаем сразу все 8 частичных произведений, которые равны либо 0, либо 1.Затем эти частичные произведения суммируются на пирамиде сумматоров. Частичные произведения при суммировании должны быть сдвинуты относительно друг друга. При умножении многоразрядных чисел могут быть использованы комбинационные 8-разрядные умножители. Сначала умножаем на 8 разрядов, сдвиг на 8 разрядов, потом снова умножаем, и т. д..

Деление без восстановления остатка.

При делении с восстановлением остатка теряется производительность из-за такта восстановления.Рассмотрим деление целых положительных чисел. Деление производится с помощью с помощью последовательностей вычитаний, сложений и сдвигов.Если очередной остаток получился положительным или нулевым,то производится сдвиг остатка влево, сдвиг частного влево и записи 1 в младший бит частного. Если очередной остаток получился отрицательным, то он удваивается, т. е. арифметически сдвигается влево (в дополнительном коде), производится сдвиг частного, в младший бит записывается 0. В следующем такте к удвоенному отрицательному остатку прибавляется делитель. Правило образования цифр частного сохраняется.Рг1 –делимое (двойное слово)Рг1* - старшаяполовина делимого (остаток)Рг2 – делительРг3 – частноеS – знак остатка, сначала S=0

Операции с плавающей точкой.

Предстпавление чисел с плавающей точкой.

Знак (S), порядок (истинный (Еист) или смещенный (Е)), мантисса (М).Смещенный порядок (неотрицательная величина)

Ех, Мх

Page 27: комплект лекций

D – смещениеЕх-D=Еист

q – основание системы счисленияq=2, 10, 16Наиболее часто q=2.

Внешнее изображение

облегчает операции сравнения при неотрицательном порядке.

Мантисса (2 представленя)1) 1.хх…х х={0:1} – нормированное (старший бит равен 1) 0.хх…х - денормированное число2) .1хх…х - нормированное число .0хх…х - денормированное числоскрытый старший битЕсли старший бит = 1, то его необязательно хранить в памяти.Форматы1) одинарная точность

+1 – это скрытый бит D = 127 = 27-1от -127 до +1272) Двойная точность.

Старший бит опять скрытый.D = 1023 = 210-13) Расширенная точность

D = 16383, Emax=32000, Emin=1старший бит явный.

Особые случаи1) Представление нуляЕ=0, М=0, хмак любой.2) денормированные числаЕ=0, М<>0В денормированных числах все биты явные.3)E=11…1, M=100…04) неопределенностьS=1, E=11…1, M=100…0Для представления любых чисел используется прямой код.

Сложение / вычитание.1) Выборка и предварительный анализ операндов2) уравнивание порядков3) определение знака действия над мантиссой4) сложение или вычитание над мантиссой5) анализ результата, формирование знака результата и преобразование в прямой код

Page 28: комплект лекций

6) пормализация7) анализ особых случаев8) запись результатаСкладывать и вычитать можно, если только порядеи одинаковыеМ1* qЕ1 М2* qЕ2

Приуравнивании число с меньшим порядком приводится к числу с большим порядком. Мантисса числа с меньшим порядком сдвигается вправо на число битов, равное разности порядков.

Варианты:I. ΔЕ=Е1-Е2

Если ΔЕ>0, то сдвиг мантиссы М2 на ΔЕ бит вправо.Если ΔЕ<0, то сдвиг мантиссы М1 на |ΔЕ| бит вправо.Если ΔЕ=0, то переход к сложению / вычитаниюΔЕ>n (n зависит от размера), то соответствующий операнд приравнивается к 0

II. Производятся сдвиги, если мантисса обнуляется, сдвиги прекращаются.

III. Сложение мантиссы. С одинаковыми знаками складывается, с разными знаками вычитается.

В случае вычитания из первой мантиссы вычитается вторая мантиссаIV.V. Проверка на равенство нулю

Определение знака результатаSm – знак суммы или разности модулейSp – знак результатаS1 – знак первого слагаемого

Преобразование в прямой код.В случае отрицательной разности модулей, она обычно формируется в дополнительном коде. Его нужно преобразовать в прямой код.

VI. Нормализация1. Переполнение мантиссы.Нормализация вправо – сдвик вправо и прибавление 1 к порядку.2. Денормализованный результат (при вычитании) – один или несколько старших битов равны нулю.

Page 29: комплект лекций

3. Нормализация влево – сдвиг влево мантиссы до появления 1 в старшем бите, при каждом сдвиге вычитание 1 из порядка

NZ – число нулей.Производится сдвиг влево на NZ битов; из порядка вычитается NZ

VII. а) Переполнение порядкаПри прибавлении к порядку 1 значение порядка может выйти за пределы допустимой разрядной сетки. При этом происходит:1) прерывание программы, фиксируется ошибка или2) формируется код бесконечностиб) Может получиться отрицательный или нулевой порядок (исчезновение порядка). Происходит фиксация ошибки и формирование денормализованного числа (сдвиг мантиссы вправо, увеличение порядка)

если «-« достаточно большой, то мантисса приравнивается к 0.

Комбинационный конвеерный сумматор с ПТ

Для упрощения будем рассматривать сложение и числа А и В будем считать положительными.

Page 30: комплект лекций

На первой ступени сравниваются порядки, вычисляется из разность. и формируются значения: Е1 – больший порядок, - различие между большим и меньшим, M1 – мантисса числа с большим порядком, M2 – мантисса числа с меньшим порядком. Эти результаты фиксируются на фиксаторах ( какие-то регистры)На второй ступени происходит сдвиг М2 на бит вправо. Результаты фиксируются.На третьей ступени происходит сложение мантисс (М1 и сдвинутая мантисса М2*). Результаты фиксируются.На четвертой ступени вычисляется число ведущих нулей, сдвигается мантисса результата, получается М3 нормализованная. NZ вычитается из Е1 и получается порядок результата Е3. Результаты фиксируются и идут на запись.Конвеер: когда с первой парой чисел 1-Ю ступень прошли, то на первой ступени появляется 2-я пара чисел, а 1-я пара на второй ступени. После заполнения конвеера с каждого такта снимаем результат.

Умножение с плавающей точкой

Мантиссы чисел перемножаются, истинные порядки складываются.Умножение мантиссУмножение происходит с округлением.

1) Можно просто отбрасывать младшую часть.2) Если 1, то к старшей части прибавляется 1, если 0, то не прибавляется.Порядки

Page 31: комплект лекций

Е3 – смещенный порядок произведения.Е3=Е1+Е2-DВ – смещение; D=16383Е1=Еист1+D E2=Eист2+DПоэтому нужно одно смещение вычесть.Если сомножитель равен нулю, то и произведение равно нулю.Переполнение мантиссы1. хх…х 1.юююнМожем получить:10.11.Поэтому нужно предусмотреть сдвиг влево, чтобы не терять 1 бит.При переполнении мантиссы она сдвигается на 1 бит вправо, а к порядку произведения прибавляется 1.0.1х…х0.1х…хМожем получить 0.01…Если необходимо нормализовать, то необходим сдвиг влево на 1 бит и из порядка вычитается 1.ПорядкиМожет быть переполнение порядковПлюс умножения с ПТ: числа в прямом коде, не нужно преобразовывать в ДК, как это нужно с целыми числамиДеление с плавающей точкойЕ3 – порядок частногоЕ1 – порядок делимогоЕ2 – порядок делителяЕ3=Е1-Е2+DНормализация 1.хх…х1.уу…уможет получиться денормализация на 1 бит вправо. Могут потребоватися нормализация влево и вычитание 1 из порядка.0.1хх…х0.1хх…хможет быть переполнение частного, нужна нормализация вправо.

Лекция№7 ПроцессорыПроцессор:1. Арифметико-логическое устройство2. Устройство управления 3. Регистровая (локальная) памятьВ состав АЛУ входят еще дополнительные регистры (регистры частного, делителя и т. д.), комбинационные схемы (сумматоры и т. д.). В общем случае АЛУ рассматривается как комбинационная часть.УУ осуществляет адресацию и выборку команд, определение порядка выборки команд и выработку управляющих сигналов для других устройств компьютера (для АЛУ, для себя, для работы с памятью, для обмена с периферийными устройствами).Регистровая память (РЗУ). Регистры программно доступны, их может использовать программист для написания программ.

Page 32: комплект лекций

Количество их может быть разным. Может быть только один доступный регистр – аккумулятор. В общем случае РЗУ – это группа регистров: регистры общего назначения (РОНы или GPR – General purpose register) и регистры с плавающей точкой (РПТ – FPR – Float Point Register)

Характеристики процессора 1) Производительность (быстродействие). Измеряет количество операций в единицу времени. Среднее время выполнения операций или берётся одна стандартная команда и сколько таких операций за единицу времени выполнится. 2) Объём памяти (и регистровая и основная)3) Операционные ресурсы (типы обрабатываемых данных, состав операций, способы адресации, система команд).4) Надежность и достоверность вычислений

Порядок работы процессора при выполнении команд1. Выборка команды из основной памяти Cчетчик команд СК (программный счетчик – PC – Program Counter, указатель команды IP – Instruction Pointer) Регистр команд. B него помещается выбранная команда. засылка адреса команды в память (в Рг А или на шину адреса) чтение из памяти по этому адресу (на шину данных или в регистр данных) засылка в Рг К инкремент РС (IP) – указание адреса команды, следующей по порядку.2. Декодирование команды.Осуществляется с помощью дешифратора или в случае микропрограммируемого устройства осуществляется с помощью преобразователя начального адреса (ПНА).3. Выборка операндов из основной памяти и/или из РЗУ.Сначала формируется адрес операндов.4. Исполнение операции.5. Запись результата в РЗУ или ОП.6. Формирование признаков результата (флажков)

Исполнение операции при передаче управления (переходы) проверка условия перехода вычисление адреса перехода загрузка адреса в РС

Структура команд и порядок их выполнения1-адресная команда:

КОП А

2-адресная командаКОП А1 А2

3-адреснаяКОП А1 А2 А3

3-адресная команда:1) Выборка команды (Instruction Feteh)2) Выборка операнда по адресу А13) Выборка операнда по адресу А24) Исполнение операции5) Запись результата по адресу А3

Двухадресная команда:А1, А2 – адреса операнда. Один из этих адресов является также адресом результата. Одноадресная команда:

Page 33: комплект лекций

В случае одноадресных команд предполагается использование в составе процессора регистра-аккумулятора. Кроме арифметических команд должны быть предусмотрены команды загрузки в аккумулятор и запись из аккумулятора в память.Операция выполняется над операндом аккумулятора и словом из памятиЗагрузка LD (Load)1) Выборка команды2) Выборка по адресу А3) Заись в АСАрифметическая операция1) Выборка команды2) Выборка по адресу А3) Исполнение операции, например Act[a]4) Запись в АСЗапись в память St (сохранение)

[A]:=AcВ Современных системах адреса могут относиться как к регистровой памяти, так и

оперативной.

КОП R1 R2

КОП R1 А2

Форматы команд и способы адресацииФорматы команд и способы адресации IBM -370 Регистровая память (РП) – 16 регистров общего назначения по 32 бита и 4 регистра с ПТ по 64 бита

Форматы:1) RR (регистр регистр)

КОП R1 R20 7 8 11 12 15

РОН[R1]:=РОН[R1]+РОН[R2]2) RX (регистро-индексируемая )

КОП R1 X2 B2 D20 7 8 11 12 15 16 19 20 31

адрес 2-го операнда (EA)

EA=РОН[X2]+РОН[B2]+D2 индекс база смещение

Базовый адрес – адрес какой-то области памяти. Индекс – адрес элемента массива относительно некоторого базового адреса. Такая обработка адреса с использованием базы называется базированием. С использованием индекса – индексированием. Не всегда нужно использовать базирование и индексирование, тогда, если X2 = 0 - адрес не индексируется, В2 = 0 – не базируется. Если X2 = 0, B2 = 0, то адрес будет равен смещению.Можно расширить формулу для ЕА:

(X2)+ (B2)+ D2, если X2≠0, B2≠0

РОН

1 31

Page 34: комплект лекций

(X2) + D2, если X2≠0, B2=0ЕА = (B2)+ D2, если B2≠0, X2=0

D2, если B2=0, X2=0

3) RS (регистро-неиндексируемая память)

КОП R1 R3 B2 D2

EA =

Поле R3 используется в групповых операциях: групповая загрузка групповая запись в памятьЕсли, например, R1 = 3, R3 = 5РОН(R1), РОН(R1+1)… - будут загруженыРОН(3), РОН4, РОН5 - в нашем случаеЕсли R1=14, R3=2, то будут загружены

РОН14, РОН15, РОН0, РОН1, РОН2 4) SI (память – непосредственный операнд)Непосредственный операнд – который содержится в самой команде

Непосредственный операнд имеет формат байта, другой операнд определяется адресом EA.5) SS (память – память)

(Длинна 1,5 слова)CT (Counter) – счётчик.Используется для передачи цепочки байтов (слов) из одной области памяти в другую.Счетчик фиксирует количество передаваемых байтов (слов). n+1 – число передаваемых байтов (если в счетчике стоит 0, то передаваться будет 1 байт (слово)).

Форматы команд и способы адресации.RR (условный переход)

RX

M1 – маска перехода – задает условие перехода.В формате RR адрес перехода – в РОНе (R2). Регистр с адресом 0 не используется (перехода не будет)Для RX адрес перехода равен (X2)+(B2)+D2.Проверяется условие, если условие выполняется, адрес перехода загружается в программу счетчика.

PSW ProgramStatusWord

Установка условия в CC (Cod Counter):0 результат = 0(Z)01 результат < 0(N или S)10 результат > 0(P)11 переполнение (V)

(B2) + D2, если B2≠0

+ D2, если B2=0

Page 35: комплект лекций

Маска

Если установлен бит Z, то переход по равенству нулю и т. д.Если все единицы в маске:

M1=1111 , то переход произойдет при любом из значений (безусловный переход)М1=0111 – переход, если результат не равен нулю.М1=1010 – переход, если результат ≥ 0.

Вызов подпрограммы.

При вызове подпрограммы нужно запомнить адрес возврата, чтобы после выполнения подпрограммы вернуться в точку вызова. Адрес возврата запоминается в РОНе R1

Поле выборки команды PC=a+4 – адрес возврата. Последовательность действий для вызова п/п:

РОН(R1):=PC ; адрес возвратаPC:=EA ; адрес подпрограммыВозврат из подпрограммы: BP R1 PC:=РОН(R1)

- безусловный переход

Способы адресации.1. Физические адреса.2. Логические (виртуальные) адреса.Логические используют виртуальное адресное пространство, используемое при программировании. Для реализации команд виртуальные адреса преобразуются в физические аппаратными средствами. Виртуальные адреса можно рассматривать как непрерывную последовательность, а физические адреса могут располагаться в разных местах.Физические адреса могут относиться к:РП – регистровой памятиОП – основной памятиСпособы адресации:1) Явная. Адрес явно тем или иным способом указывается в команде в адресной части. 2) Неявная (подразумеваемая). Адрес определяется кодом операции.Например:a) команды относятся к АХ (аккумулятор явно не указывается, а в КОПе указывается, что операция над аккумулятором)b) или к регистру CX (команда LOOP – цикл)c) PSW (команда сброса, фиксирования флажков)d) PUSH, POP (включение в стек, исключение из стека)

Page 36: комплект лекций

1. Регистровая адресация. В команде указывается адрес (адреса) регистра (регистров).2. Косвенная регистровая адресация. Адрес данного содержится в регистре.

-адрес будет содержаться в регистре В2

a) Базоваяb) Индексная3. Косвенная регистровая со смещением.a) Базовая со смещениемb) Индексная со смещением4. Базово-индексная.5. Базово-индексная со смещением.6. Абсолютная (прямая). Полный адрес задается в команде.

7. Автоинкрементная адресацияАвтодекрементная

Частный случай косвенно-регистровой. Адрес находится в регистре после выборки. При записи данного производится инкремент адреса. Удобно при последовательной обработке массива.Автодекрементная – происходит уменьшение адреса (или массив обрабатывается с конца). Сначала декремент, потом обращение.8. Непосредственная адресация. Данные находятся в самой команде.9. Относительная адресация. Похожа на косвенно-регистровою со смещением. Только в качестве регистра используется программный счетчик PC. Используется для адресации перехода (задается смещение относительно PC)10. Косвенная адресация. В команде указывается косвенный адрес (адрес адреса). Команда формирует адрес какой-то области памяти, а слово из памяти уже содержит исполнительный адрес. Многоступенчатая косвенная адресация используется при обработке списков.

Структура команд и способы адресации в ПК.

Пост-байт определяет режим адресации.SIB: Scale Index Base.Displasement - смещение. Его может не быть.Imm – непосредственный операнд.

Регистровая модель процессора.Регистры делятся на несколько групп: регистры данных регистры-указатели сегментные регистры регистр флажков (состояние процессора) указатель командыРегистры данных:

Аналогичная структура (Е)ВХ, (Е)СХ, (Е)DXМогут быть 16-ти разрядными, тогда просто AX, а 32-разрядные (Extended – расширенные), тогда ЕАХ.

Регистры общего назначения

Page 37: комплект лекций

Используются для хранения данных. Но есть и специфические функции:(E)AX – аккумулятор(E)BX – регистр базы(E)CX – счетчик DX – адрес устройства ввода (портов).Регистры-указатели

При адресации используется как указатель базы. Регистр ВХ используется при обращении к сегменту данных как указатель. А ВР при обращении к сегменту стека.

(E)SP – указатель стека.SI, DI – индексовые регистрыSI – индекс источника; DI – индекс приемника.(E)IP – указатель команды.Сегментные регистры

Эти регистры 16-разрядные.CS (Cod Segment) – сегментный регистр кода.SS (Stack Segment) – регистр стека.DS (Data Segment) – регистр данных.ES – дополнительный сегментный регистр данных.

Эти регистры есть во всех моделях процессора. В более поздних моделях введены еще 2 дополнительных:

FS, GSИногда используется другое название регистра сегмента – селектор сегмента.Адреса данных или команд формируются как адреса базового адреса сегмента и смещения в сегменте (offset). В реальном режиме полный адрес имеет 20 бит. Используется 16-битное смещение и 16-ти битный сегментный регистр (SR).Addr = SR*16 + offsetПусть DS = AB25

OS = 0358 - смещение.

EA – эффективный адрес, не являющийся исполнительным.В защищенном режиме для формирования адреса используется дескрипторная таблица, в ней содержатся дескрипторы – сегменты, где записаны базовые адреса сегмента. Линейный адрес (LA).Физический адрес.Линейный адрес может совпадать или не совпадать с физическим.

Base + Offset = LAЛинейный адрес должен быть преобразован в физический.

Регистр флажковFlags или называется Processor Status WordМожет быть 16-ти разрядным или расширенным.P – паритет;С – перенос;S – знак;Z – нуль;O – переполнение.Лекция№8 Способы адресации данных в реальном режиме.

OS = SP (стек)

EA (данные)

IP (код)

Page 38: комплект лекций

Неявная адресация: при операциях с аккумулятором, при операциях со счетчиком.Регистровая адресация:

mod – режим 2-битный код00 – отсутствие смещения01 – смещение 1 байт10 – смещение 2 байта (4 байта при 32-битной адресации)11 – регистровая адресация

r|m – адрес регистраЕсли адресация не является регистровой, поле r/m определяет регистры, участвующие в формировании адреса. В реальном режиме такими регистрами могут быть BX, BP, SI, DI. Они могут быть использованы по одному или парами.

mod = 0 r/m = 5 - абсолютная адресацияПри этом байты DI SP задают абсолютный адрес.Если в адресации используется BP, то сегментный регистр использует SS по умолчанию, можно использовать DS.ES используется при цепочечных операциях. Есть цепочка источник, цепочка приемник. DS, SI – для источника, DI и ES – для цепочки приемника. Сегментный регистр, используемый по умолчанию может быть заменён на другой регистр с использованием префикс-команды.

Если такая команда используется, то следующий регистр будет использоваться тот, который указан в байте SR.Префикс-команды могут задавать длину операнда и длину адреса.

32-битная адресация.Использование поля r|m отличается. При нерегистровой адресации используется один регистр, причем любой (AX, BX, CX, DX, BP, SI, DI). Здесь отсутствует базово-индексная адресация. Если при адресации нужно использовать 2 регистра: регистр базы и регистр индекса, то это можно сделать с помощью байта SIB. При комбинации mod=00 r/m = 6 указывается, что в команде имеется байт SIB:

Все остальные регистры могут быть использованы и как базовые и как индексныеScalle – масштаб

00 – SC = 101 – SC = 2 - масштабный множитель.10 – SC = 411 – SC = 8

При формировании адреса значение индекса умножается на этот масштабный множитель.Адресация в защищенном режиме ( P -режим Protected ).

Защищенный режим впервые появился в процессоре 286. Использовалась 24-битная адресация. Начиная с 386 в защищенном режиме используется 32-битная адресация.Структура дискриптора

Page 39: комплект лекций

Sbase – базовый адрес сегмента.AR – байт прав доступа Limit – предельный размер сегментаLA = Sbase + offset

P – присутствиеЧасть сегмента находится в основной памяти

P = 1 сегмент находится в основной памяти.P = 0 сегмента нет

Если сегмент в основной памяти отсутствует, то возникает прерывание программы, при обработке прерывания, сегмент.Проверяется тип сегмента, правильность обработки.8 бит дополнительные, из них 4 бита не используются, 4 бита могут использоваться при задании длинны адреса или операндаВ них есть бит G – гранулярность если G = 0, то предельный размер измеряется в байтах, если G = 1, то измеряется в страницах (1 стр. = 4 кВ)

Структура селектора сегмента.

5 3 2 1 0SR

Ind – индекс строки ДТ (дескрипторная таблица)Т – тип таблицы

Т = 0 – GDT - глобальная 1 – LDT - локальная

Глобальная таблица одна, локальных – много, каждая для своей задачи.Локальная таблица для текущей задачи: Текущая локальная таблица: RPL (Requested Privilege Level – Запрашиваемый уровень привилегий) Текущий уровень привилегий (CPL). Он записывается в PRL , текущий уровень команды.

Дескриптор – двойное слово, его адрес = 8 GDTR – базовый регистр DT, указывающий начало GDT. Базовый адрес складывается с Ind *8, получаем нужный адрес в DT, который складывается со смещением, получаем адрес в памяти

Ind T RPL

Page 40: комплект лекций

данного или команды с помощью GDT находятся базовый адрес текущего GDT , а затем находится дескриптор сегмента, а затем адрес информации.GDT – дескрипторы сегмента кода и данных. Дескрипторы LDT LDT – специальный сегмент LDTR

Ind L определяет строку глобальной таблицы. Т = 0 говорит о том, что описание относится именно к глобальной таблице.

Теневые регистры Теневые регистры используют для сокращения затрат времени на формирование адреса. Каждому сегментному регистру и регистру LDTR ставится в соответствие так называемый теневой регистр (shadow) Н. В этих теневых регистрах записаны дескрипторы текущих используемых регистров. Теневые регистры могут использоваться до тех пор, пока не произойдёт смена регистра. При формировании адресов используются готовые дескрипторы. Обновление информации в теневых регисторах производится при смене сегмента с помощью специальных команд. Происходит обращение к DT и выборка дескриптора в теневой регистр. Смена сегментного регистра кода производится также при операции межсегментного перехода и межсегментные вызовы п/п.

Лекция№9 Операции передачи управления- условные, безусловные переходы- вызовы п/п- возврат из п/п

Условные переходы

В реальном режиме используются в коротком формате.

Смещение знаковое, в дополнительном коде

Ind L T=0 RPL

Page 41: комплект лекций

Условия перехода в доп. коде:

Безусловные переходы

Формат short – Коп и однобайтовое знаковое смещение.near – близкие переходы (внутрисегментные): - прямой near - косвенный near

Прямой:

Задаётся новое значение смещения, адрес перехода к нужной команде.

Косвенный:

1) вычисляется адрес слова памяти2) Это слово загружается в (E) IP far – дальний переход - прямой - косвенный

Прямой:

Косвенный:

1) вычисляется адрес ЕА2) Это слово загружается в IP ОП [ЕА]3) Одно слово загружается в CSОП [ЕА+2] [ЕА+4]В косвенном переходе можно менять адреса переходов в одной программе

Вызов подпрограммы Call

Форматы команд: внутрисегментные (прямые и косвенные), межсегментные (прямые и косвенные)

Near – внутрисегментный;В стеке запоминается (Е) IP

far – межсегментный;В стеке запоминается (Е) IP, CS

Возврат из подпрограммы Ret

Не содержит адресной части, могут быть межсегментными и внутрисегментными. Адрес возврата загружается из стека.

Защита сегментов

Page 42: комплект лекций

1) Защита по пределам (проверяется, не произошёл ли выход за пределы сегмента) offset ≤ lim. 2) По типам сегментов (код, данные, стек). Если сегмент кода, то обращение к нему происходит, когда смещение задаётся указателем команд. Для сегментов данных не должно быть обращение к указателю команд.3) По допустимым операциям; Для сегментов кода: - запрещена запись (защита программы от искажения); - может быть запрещено чтение R(ead) Для сегментов данных: - выполнение запрещено (использование данных команд)(?) - может быть запрещена запись W(rite)4) Защита по привилегиям

4 Уровня привилегийPL – Privilege Level0 – высший уровень привилегий;3 – низший уровень привилегий;Кольца привилегий:

Уровень 0 совершенно секретно 0 – ядро ОС (операционной системы) Уровень 1 секретно 1 – остальная часть ОСУровень 2 конфиденциально 2 – системы программирования, СУБДУровень 3 (обин)доступно 3 – пользователя

DPL (Descriptor Privilege Level)2 байта прав. доступаТекущая программа характеризуется текущим уровнем привилегий CPL.

Младший байт селектора кода CSCPL ≤ DPLDPL – сегмент данных или сегмент стека;Если DPL относится к сегменту кода, CPL = DPL;Для сегмента данных

RPL – запрашиваемый уровень привилегий, CPL ≤ RPL

Передача управления через уровень привилегий:ОС содержит ряд служебных программ, которые могут использоваться пользователем. Это противоречит защите по уровням привилегий. Чтобы ими можно было пользоваться нужно обеспечить возможность вызова подпрограмм уровня ОС с помощью программ более низкого уровня привилегий.1) Подчинённые сегменты кода (задачи) AR C = 1 – подчинённая задача.Подчинённые задачи могут вызываться программами более низкого уровня.CPL устанавливается равным CPL вызывающей программы.Пусть CPL = 3, а DPL = 1, тогда программа будет рассматривать 3 уровня2) Шлюзы вызова (Gate - вентиль) Шлюз – специальный вид дескриптора; Структура команды межсегментного перехода:

1) Загрузка CS2) Выборка дескриптора3) Проверка типа дескриптора дескриптор сегментного кода

Page 43: комплект лекций

шлюз вызоваДескриптор сегментного кода. В него входят:

I. AR – байт прав. доступаII. Lim

III. Base – базовый адрес сегментаШлюз

I. AR – байт прав. доступаII. селектор → CS

III. смещение → IPУровень привилегий вызываемой программы не ниже уровня шлюза и не ниже CPL вызывающей программы.

Страничное преобразование адресов.

Память разбивается на страницы одинакового размера. (Совокупность ОП и внешних запоминающих устройств). Виртуальная память рассматривается как однородная, хотя она двухуровневая. Существует виртуальное адресное пространство Виртуальные адреса ВА→ФАТаблицы страниц.

Пр-е (судя по всему прерывание) FRAME - Кадр

Мл. часть сохраняется без изменений.

Основная память:

- таблица страниц

FRAME

Page 44: комплект лекций

1) Адрес дескриптора = page + Base T2) Чтение дескриптора3) Формирование адреса ФА = FRAME. Byte

Р = 1 – страница в ОП 0 – страница на дискеВ случае прерывания: одна страница эвакуируется на диск, корректируется таблица страниц.

R/W = 0 – только чтение 1 – чтение и запись

Быстродейств. таблицаАдрес сравнивается с адресом виртуальной таблицы. В случае совпадения выбирает (байт) страничного кадра.При необходимости таблица обновляется32 битная адресация.Линейный адрес LA. Если преобразований нет, то FA = LA

Число страниц =

Каталог страниц (1024 элемента), в нём записаны базовые адреса таблиц. Каждая строка – 4 байта.Каталог страниц всегда находится в основной памяти. Страница таблиц находится в основной памяти частично.

КЭШ - память Cash – кошелёк для хранения денег. КЭШ – память является буферной м/у основной памятью и процессорной. Имеет меньшую ёмкость и более высокое быстродействие. Кэш-память является прозрачной для программиста (невидимой). Виртуальная память с КЭШем. В ОС обычно используют Кэш 2-х уровней: внешний и внутренний. Внутренний: на одном кристалле с процессором, внешний: отдельная микросхема. Иногда называют первичный (внутренний) и вторичный (внешний) Используют различные КЭШи данных и команд – это позволяет выполнять чтение данных и выполнение команд. Как ОП, так и Кэш разделяются на строки. Каждая строка содержит 16 Б – 256 Б. Обмен между ОП и КЭШем осуществляется по строкам. Используется принцип подмены наиболее активных строк ОП строками КЭШа. Роль каких-то строк ОП берут на себя строки кэш(выигрыш производительности КЭШа по сравнению с ОП в 5-10 раз, но общий порядка 2-3. Основной показатель системы ОП – БП:Коэффициент попадания h - отношение количества обращений к КЭШ к числу обращений к ОП (h ≥ 0,9)1. Проблема адресации КЭШа – отображения адресов ОП на Кэш.2. Обновление информации в памяти;

Page 45: комплект лекций

3. Организация замены строк Кэша более активными строками ОП. В течение вычислительного процесса активность строк ОП меняется, приходится какие-то строки удалять из Кэш , какие-то записывать.(стратегии удаления).

Способы отображения адресов ОП на КЭШ.ОП – 16 строк КЭШ – 4 строк1. Полностью ассоциативное изображение. Любая строка основной памяти может быть отображена в любой строке КЭШа.L – строка

Кэш состоит из 2-х блоков: блока данных, блока адресных тэгов. В блоке данных записываются адреса подменяемых строк. Задаётся адрес строки, производится параллельное сравнение адреса строки с тэгами. При совпадении вырабатывается сигнал.Недостаток – при большом числе строк требуется большая аппаратура.Достоинство – система отображения наиболее гибкая – более высокий коэффициент попадания.2. ПрямоеСтроки ОП разбиваются на подмножества по числу строк кэша. Каждому подмножеству соответствует 1 строка кэша, любая строка подмножества может быть отображена соответствующей строке кэша. При обращении к памяти поиск разделяется на 2 этапа: сначала определяется к какому подмножеству идёт (подходит), затем сравниваются адреса стэка с адресом кэша.

1. Определяем подмножество.2. Сравниваем тэги с адресом строки в подмножестве.В случае промаха организуется обращение к ОП, при необходимости – обновление кэша.3. Множественно – ассоциативное (наборно-ассоциативное).Строки кэша разбиваются на подмножества. Аналогично, строки ОП разбиваются на такое же количество подмножеств. Любая строка выбранного подмножества ОП может быть отображена в любой строке одноимённого подмножества кэша. m0, m1 – подмножество кэша,

Page 46: комплект лекций

M0,M1 – подмножество ОПКоличество вариантов на размещение называется направлением. Кэш, который разбит на подмножества, в которых две строки, называется двунаправленным.Поиск информации – в два этапа:1. Определение подмножества2. Ассоциативный поиск в подмножестве.Лекция№10 Способы записиБиты достоверности (действительности)V (valid) – действительный.При включении ЭВМ в кэш может быть записана информация, в том числе и в блоке тэгов. Строки могут быть действительными и не действительными. Чтобы не происходило логическое обращение к КЭШу нужен бит V.Если V = 0, то в строку можно записывать.При записи в кэш запись производится в свободную строку, при отсутствии свободной строки происходит замена строк.Запись: 1. Сквозная: При записи информация записывается как в кэш, так и в основную память. При промахе – сначала запись в ОП, затем запись в свободную строку кэша. Всегда существует соответствие между строками основной памяти и подменяющей строкой кэша. При замене строк кэша нет необходимости передачи данных из кэша в ОП.Недостаток: при сквозной записи не получаем увеличение быстродействия кэша при записи2. Обратная: При попадании запись производится только в кэш, при промахе – запись в ОП или в свободную строку кэша. При замене строк содержимое строки кэша копируется обратно в соответствующую строку ОП.Недостаток: требуются дополнительные процедуры при обновлении.Для уменьшения затрат на эвакуацию из кэша в ОП может быть использован следующий приём: в каждую строку вводится бит Д. Д = 0 – строка чистая, т.е. не было записи. Д = 1 – строка грязная, т.е. была замена строки. Если Д = 0 – нет необходимости передавать строку в ОП. Если Д = 1 – то это делать необходимо.

Стратегия и удаление строк кэша.Выбор удаляемых строк может быть случайным.LRV – Least Recently Used – наименее недавно использованная. Удаляется строка, к которой было меньше всего обращений. Вводятся несколько битов, описывающих активность строки (псевдо LRU)

Кэш-память микропроцессора i - 486

128 подмножеств МО-127 по 4 строки (в кэше), строка 16 Б Кэш 8 кБV0, V1,V2, V3 – биты достоверности.По полю Ind определяется подмножество и из соответствующей строки выбираются 4 тэга, которые параллельно сравниваются с тэгом адреса. Одновременно проверяются биты достоверности. При попадании выбирается нужная строка из подмножества n.Основной способ записи – сквозная. Кэш является общим для данных и команд.

Page 47: комплект лекций

Программная (регистровая) модель процессора i 486. Это доступные программисту регистры, которыми он может пользоваться, используя команды ассемблера. Существуют 2 подхода – все регистры универсальны; - есть специализация (Intel)В i486 объединено лучшее из этих двух подходов: есть специализация, но могут быть и заменены на другие регистры, но это надо дополнительно указать в команде. Если использовать специализацию регистров по умолчанию, то программа (ее объективный код) сокращается.В программной модели i486 31 регистр (16 пользовательских и 15 системных).

1. Пользовательские RG i486

РОНы - 8шт. по 32 разр. для хранения данных или адресов (E-EXTENDET).EAX – 32; AX – 16, AL и АН - 8. Старшие 2 байта отдельно адресовать нельзя. Эти 4 RG работают байтами, словами и двойными словами. Они универсальны, но имеют специализацию.EAX/AX/AL - Аккумулятор. (промежуточные данные, множимое, делимое, IN,OUT, BCD). EBX/BX/BL – Base – базовый. Для указания базового (начального) адреса массиваECX – Counter – счетчик. Циклы, сдвиги, цепочки.ЕDX – Data – данные. Промежуточные данные, множитель, делитель, адреса портов в командах IN/OUTESP – Stack Pointer – указатель стека (PUSH, POP, CALL, RET, IRET) Адресует вершину стека в текущем сегменте.EBS – Base Pointer - используется при адресации данных в стеке (при подпрограммах).ESI – Source Index – регистр адреса текущего элемента цепочки источника.EDI – Destination Index – регистр адреса текущего элемента приемника.

Сегментные регистрыCS, SS, DS, ES – сохранились с 8086 (1810), но теперь задают не физический адрес сегмента 64 кб, а косвенно через дескрипторную таблицу. Она для каждого сегмента задает: базовый адрес, размер(limit), права доступа(какие программы и в каких операциях могут обращаться к конкретному сегменту).CS – сегментный регистр кода определяет текущий сегмент, где хранится программа (коды команды). SS – сегментный регистр стека задает текущий сегмент памяти, где находится стек. Вершина стека – ESP. DS – регистр, адресующий сегмент с данными.ES, FS + GS – дополнительные сегменты регистра данных.

Page 48: комплект лекций

16 разрядное слово в сегментном регистре – «селектор». Машина работает с данными сегментами пока не поменяется селектор. Форматы и функции селекторов в R и P режимах разные (всего 3 режима R,P,V). Каждый сегмент имеет базовый адрес. Для адресации внутри к нему прибавляется 32 – битное смещение(offset).

Указатель команды IP Предназначен для адресации команд внутри текущего сегмента кода. После выборки очередной команды в IP автоматически устанавливается адрес следующей команды. При опережающей выборки (486) из ОП читается выровненный блок с 4-мя младшими нулями в адресе не учитывая границы между командами.

Регистр флагов. FLAGS . 8 флагов состояния + 6 флагов управления.

Флаги состояния фиксируют признаки результатов операций. (не всех - MOV) CF (Carry) – арифметическая операция вызвала перенос (+), заем (-) из старшего бита (31, 15, 7)→СF=1. Есть команды установки этого флага и его инверсии.PF - паритет (четность). Если в младшем байте кол. 1 четное →=1.AF – (Auxiliary) – вспомогательный перенос из младшей тетрадыA Для десятичной арифметики. Программно не доступен. ZF (Zero)SF (Sign) – копирует знак (31, 15, 7)OF (Overfrow)IOPL – (Input/Output Prevelege Level ) - Уровень привилегий ввода-вывода.

Режим работы процессораПроцессоры могут работать в различных режимах. Под «режимом» подразумеваются способы, которыми процессор создает (и обеспечивает) для себя рабочую среду. Режим работы процессора задает способ адресации к ОП и способ управления отдельными задачами. Процессоры ПК могут работать в трех режимах: реальном (R), защищенном (P) и виртуальном (V). РеальныйПервоначально ПК могли адресовать только 1Мб ОП (ША=20разрядов). В дальнейшем в каждом компьютере следующего поколения процессор должен уметь работать в режимах совместимости с процессором Intel 8086. Этот режим называют реальным режимом. В этом режиме процессор не может использовать 32 и 64 – разрядные операции. Процессор попадает в реальный режим сразу после запуска компьютера. В реальном режиме работает DOS и стандартные DOS – приложения. Защищенный режимНачиная с процессора Intel 80286 и компьютеров типа IBM PC/AT появляется защищенный режим. Он используется в современных многозадачных операционных системах. Преимущество этого режима:1. доступна вся системная память2. многозадачность3. поддерживается виртуальная память – ОС при необходимости может использовать жесткий диск в качестве расширения ОП.4. осуществляется быстрый (32/64 разр) доступ к памяти и поддерживается работа 32–х разрядные операции ввода/вывода Каждая выполняемая на компьютере программа имеет свою собственную область памяти, которая защищена от доступа со стороны других программ. Все современные ОС используют защищенный режим Windows 98, NT/2000/XP, OS/2, Linux.

Page 49: комплект лекций

С появления процессора 80386 защищенный режим был усовершенствован: увеличился max доступное адресное пространство, расширенная система команд. Его иногда называют усовершенствованным защищенном режимом. Виртуальный режим Защищенный режим используют графические многозадачные ОС, такие как Windows. Иногда возникает необходимость выполнять DOS-программы в защищенном режиме. Для этого был разработан виртуальный режим. Этот режим эмулирует реальный режим, необходимый для работы DOS-программ, внутри защищенного режима. При запуске на компьютере DOS-приложения OS Windows создает виртуальную DOS-машину, в которой выполняется это приложение.

Организация памяти1. Многоуровневость

КЭШ → 1 уровень СТЕК → программный ОП→статическая 2 уровень аппаратный динамическая → Данных Команд

2. КЭШ

Page 50: комплект лекций

Лекция№11 Сегментная организация ОПДля программы адресное пространство разделено на блоки (сегменты) и программа может обращаться только к своим сегментам. В сегментах линейная адресация относительно начала сегмента. В 8086 процессореадресное пространство 1 Мгбайт. Сегменты по 64 кбайта. Начало сегмента (параграф) – 16-байтная граница смещения ( offset ) – 16-разрядное слово. Одновременно доступные четыре сегмента CS, DS, SS, ES. Эти регистры имеют по 16раздр.+ четыре Ф. (т. е. 20 раздрядов)

В ассемблере сегментные р-ры по умолчаниюMOV AX, [100] A → OП [ (DS)*16+100] → AXMOV AX, ES: [100] A → OП [ (ES)*16+100] → AXMOV AX, [SI] → OП [ (DS*16+ (SI)] → AX

1.Приобр. ЛА в ФА – однозначно, обратно – нет2. Переполнение адреса (заворачивание) В i 486 процессоре

Page 51: комплект лекций

Каждая задача, независимо от её уровня привилегий, не может обращаться к сегменту до тех пор, пока он не «описан» в дескрипторе. Дескриптор каждого сегмента – 8 байт (64 разр.): базовый адрес сегмента, размер сегмента, тип его, уровень привилегий и дополнительная информация.

Путаница в полях так как в i 286 база – 24, пр – 16, а расширение до 32 и 20 в старшем слове.

Р – бит присутствия 1 – физ. ОП. есть. 0 – внешняя память.DPL – уровень привилегий дескриптора 0 – max 3 - minS – системный бит - 1 – дескриптор относится к памяти 0 – нетTYPE – допустимые операции в сегменте 000 – DS только считывание 011 – SS – разрешается запись и считываниеА – бит доступа, говорит, что программа сейчас работает с этим сегментомG – гранулярность определяет размер элемента сегментаD – размер по умолчанию обеспечивает совместность с 286. 0 →16 разр; 1 →32 разр.X – резервный битU – (user) бит пользователя ( используется сист. прогр. по своему усмотрению.(«сбор мусора»))

Страничная организация памяти. В P – и V – режимах i 486 поддерживает страничную организацию памяти. Это ещё один уровень косвенности в формировании ФА. Используется при работе с виртуальной памятью, когда ЕА > ФА ОП. Страница это блоки П по 4 Кбайта. При разрешённом страничном преобразовании адреса линейное адресное пространство 4 Гбайта в i 486 делится на 1М страниц по 4 Кбайта. Физическое адресное пространство 1 – 16 Мбайт. Остальные страницы хранятся на НЖМД, т.е. в виртуальном адресном пространстве ОП. Любую физическую страницу виртуальной ОП можно посадить на место любой физической. При «страничном нарушении» (особый случай неприсутствия) операционная система сама загружает нужную стр. в ОП, а не нужную на ЖД. При страничном преобразовании старшие 20 бит из 32 разр. Лин. адреса ( N виртуальной стр.) заменяются N раз. страницы с помощью таблицы страниц, и каталога стр., (т.е. страничное преобразование – 2-х этапное).

Page 52: комплект лекций

ОРГАНИЗАЦИЯ ИНТЕРФЕЙСА ВВОДА-ВЫВОДА В МПС

1.1. Состав периферийного оборудования МПС

В качестве устройств ввода-вывода (УВВ) для МПС могут быть использованы любые из известных устройств, связывающих ЭВМ с внешним миром: телетайпы, модемы, принтеры, дисплей, клавиатура, серийные накопители и др.

Чаще всего используются специализированные УВВ: аналого-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи, специальные пульты управления, индикаторы, преобразователи формы информации и др. В качестве специализированных УВВ могут выступать спецпроцессоры, а также вычислительные устройства на основе однокристальных микроЭВМ.

1.2. Представление информации между МПС и УВВИнформация между ядром МПС (МП и память) и УВВ (рис. 1.1) представляется сигналами

трех типов:

Рис. 1.1. Представление информации между МПС и УВВ1.Сигналы (слова) состояния УВВ.Они сообщают МПС о состоянии УВВ. Например, УВВ готово к обмену, строб готовности,

запрос на прерывание и др.2.Сигналы (слова) управления УВВ.Они посылаются МПС в УВВ для их управления. Например, сброс, подтверждение приема,

запись, чтение и др.3.Сигналы данных.С их помощью происходит передача содержательной части информации. По шине данных

МПС могут передаваться также слова состояния и управления. Передача данных производится в параллельном формате (за 1 такт передается порция бит) или в последовательном формате (за 1 такт - 1 бит).

Page 53: комплект лекций

1.3. Структурная организация интерфейса ввода-вывода МПС с единой системной шинойПод вводом-выводом понимается любой обмен словами данных между МПС и УВВ. Этот

обмен осуществляется с помощью интерфейса ВВ.Интерфейс ввода-вывода - это совокупность аппаратных (регистры, шинные формирователи,

интерфейсные БИС) и программных средств (протоколы обмена, программы - драйверы ВВ), под управлением которых осуществляется этот обмен.

Для физической организации ввода-вывода каждое УВВ подключается к системной шине МПС или ПК через контроллеры (или адаптеры) УВВ (рис. 1.2). Через эти адаптеры УВВ взаимодействуют с центральным процессором (ЦП) или памятью МПС.

Рис. 1.2. Структурная организация интерфейса ввода-вывода Каждый контроллер (адаптер) строится на основе шинных формирователей, буферных

регистров, интерфейсных БИС, например программируемого периферийного адаптера (ППА) К580ВВ55 (аналог i8255), программируемого связного адаптера (ПСА) К580ВВ51 (i8251). С точки зрения программиста, интерфейсная БИС, а следовательно и контроллер УВВ, представляет собой набор 8-, 16-, 32-битных регистров ВВ (портов ВВ). Через эти порты УВВ взаимодействует с ЦП и памятью.

По функциональному назначению в каждой интерфейсной БИС можно выделить три вида портов:

- порты для буферирования данных;- порты для хранения слов состояния УВВ, которые может проверять ЦП;- порты для хранения управляющих слов, поступающих в УВВ от ЦП. Каждый из этих портов, входящий в состав контроллера, имеет свой неповторимый адрес.

Множество этих портов образует интерфейсную карту или адресное пространство портов МПС. Например, при обращении к портам ВВ с помощью команд ввода IN или OUT с прямой адресацией это пространство содержит 28 = 256 портов ввода и 256 портов вывода с адресами в диапазоне [ОО-FFh], изолированном от основной памяти (это - изолированный ввод-вывод)

Адреса портов могут включаться в адресное пространство основной памяти, если к этим портам обращаются с помощью команд обращения к памяти, например MOV AX,[0200h]. Такое обращение к портам называют вводом-выводом, отображаемым на память.

В МПС на основе МП семейства i80X86 могут использоваться оба метода обращения к портам.

1.7. Три основных метода организации ВВ. Их сравнительная характеристикаРазличают три основных метода ввода-вывода, широко используемые в МПС и ПК. Это -

программно-управляемый. ВВ по прерываниям и ввод-вывод с прямым доступом к памяти (ПДП). Эти методы отличаются тем, какое устройство инициирует ввод-вывод (МП или УВВ) и какое устройство управляет обменом (МП или контроллер ПДП). Сравнительная характеристика методов приведена в табл. 1.3.

Таблица 1.3. Три основных метода ввода-вывода и их характеристика№ пп

Метод В В Устройство, инициирующее ВВ

Устройство,управляющееВВ

Достоинства и Недостатки метода

1 Программно-управляемый ВВ

МП МП (путем выполнения программы)

Д: простота схемы интерфейса и программ Н: простои МП для

Page 54: комплект лекций

2 ВВ по прерыванию

УВВ МП (путем выполнения программы)

Д: отсутствие простоев МП для медленных УВВН: усложнение аппаратуры и программ

3 ВВ с прямым доступом к памяти (ПДП)

УВВ Контроллер ПДП (УВВ)

Д: большая произво-дительность ВВ для массивов данных Н: усложнение аппаратуры и

Рассмотрим организацию интерфейса ВВ для каждого из трех методов.

2. ПРОГРАММНО-УПРАВЛЯЕМЫЙ ВВОД-ВЫВОДРазличают два основных режима программно-управляемого ввода-вывода:1.Синхронный (прямой) ВВ или без квитирования.2.Асинхронный (по условию) ВВ или с квитированием.Принцип квитирования ("рукопожатия") состоит в том, что в системе определяются два

устройства: передатчик (I) и приемник (М). Когда 1 готов к передаче, он выставляет данные и сопровождает их сигналом готовности I. При этом М принимает данные в свои регистры и подает в I сигнал подтверждения приема. Приняв его, I может передать в М следующую порцию данных и т.д.

2.1. Синхронный ввод-выводПрименяется при взаимодействии МП с УВВ, если их работа синхронизирована от одного

генератора синхросигналов либо когда УВВ и МП всегда готовы к обмену данными. В качестве такого УВВ может выступать устройство индикации на основе цифровых полупроводниковых индикаторов. На рис. 2.1 приведена структура интерфейса (или адаптера) для синхронного вывода данных на индикацию через порт с адресом 20h.

Рис. 2.1. Структура интерфейса (адаптера) для синхронного вывода данных на устройство индикации

Вывод данных осуществляется путем включения в программу команды вывода OUT 20h,AL, которая передает содержимое регистра AL МП в порт с адресом 20h.

Достоинствами синхронного ввода-вывода являются его простота и высокая скорость обмена, так как требуется выполнять только команды ВВ, хотя при этом в ряде случаев приходится вводить дополнительные такты Tw в цикле чтения или записи, чтобы ввод-вывод был достоверным.

Однако большинство УВВ работает независимо от МП, поэтому УВВ не всегда готово осуществлять обмен данными с МП. Для взаимодействия с такими УВВ используют асинхронный ВВ.

2.2. Асинхронный ввод-выводПри вводе данных МП проверяет состояние УВВ. Если УВВ готово к обмену, то МП читает

данные, выдаваемые УВВ, после чего МП подтверждает прием данных. В качестве состояния готовности УВВ могут быть использованы либо специальный потенциал, либо строб (импульс), который сопровождает данные, выдаваемые УВВ. ВВ с использованием строба готовности называется стробируемым вводом-выводом.

Стробируемый вводСтруктура интерфейса стробируемого ввода приведена на рис. 2.2. Схему (структуру) этого

интерфейса еще называют адаптером.

Page 55: комплект лекций

Рис. 2.2. Структура интерфейса (или адаптера) для стробируемого вводаКогда УВВ готово выдать данные, оно сопровождает их "Стробом готовности". Этим стробом

данные защелкиваются в буферном регистре, а триггер готовности Тгот устанавливается в "1". Эти действия осуществляет УВВ, а МП в это время проверяет триггер готовности. Если Тгот = 1, то МП с помощью команды ввода IN читает содержимое буферного регистра, т.е. данные XN. При этом МП формирует сигнал #ЧтВУ, который сбрасывает Тгот в 0. Состояние Тгот=0 в качестве сигнала «Подтверждение приема» передается в УВВ, сообщая ему, что УВВ может передать следующую пор-цию данных. На рис. 2.3 приведена схема алгоритма асинхронного ввода. Для него характерно наличие цикла чтения и проверки Тгот УВВ, что приводит к "простоям" МП, особенно при взаимодействии с медленными устройствами.

Рис. 2.3. Схема алгоритма асинхронного ввода

Лекция№12 3. ВВОД-ВЫВОД ПО ПРЕРЫВАНИЯМ

3.1. Общая организация ввода-вывода по прерываниямПри вводе-выводе (ВВ) по прерываниям обмен данными инициируется УВВ, а управление

обменом осуществляется МП путем выполнения специальной программы ВВ, которую часто называют подпрограммой обработки прерываний (ППОП), содержащей также и команды ВВ. В качестве признака готовности УВВ к обмену может быть использован триггер Тгот, но для ВВ по прерываниям его называют внешним триггером прерывания Тпр. Если УВВ готово к обмену, то оно устанавливает Тпр в "1", формируя сигнал "Запрос на прерывание" (ЗП), который поступает на вход прерывания МП INTR (рис. 3.1).

Page 56: комплект лекций

Рис. 3.1. Общая организация ввода-вывода по прерываниямМП реагирует на сигнал запроса прерывания, если прерывания в МП разрешены. Прерывания

разрешены, если в МП внутренний триггер прерывания IF установлен в "1".В МП 80x86 установка триггера прерывания IF производится командами:CLI - разрешение прерывания, IF <- 1;STI - запрещение, IF <- 0.Когда МП реагирует на прерывание, то он формирует сигнал подтверждения прерывания

#INTA, который сбрасывает внешний триггер Тпр и разрешает выборку регистра типа прерывания п. Далее МП считывает с регистра типа прерывания код (тип) прерывания п, а затем выполняет команду прерывания INT n и обращается к подпрограмме обработки прерываний. При выполнении INT n внутренний триггер IF сбрасывается.

ПП обработки прерываний может быть прервана от внешнего устройства (ВУ) с более высоким приоритетом (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Обслуживание прерываний от нескольких внешних устройств

3.2. Обслуживание прерываний от ВУ для МП К1810ВМ86 3.2.1. Варианты организации прерываний в МП К1810ВМ86Возможны два варианта организации прерываний.

Первый вариант. Используется вход немаскируемого прерывания МП NMI.МП всегда реагирует на сигнал прерывания, поступающий на вход NMI, а затем выполняет

команду прерывания INT 02. При ее выполнении МП обращается к ячейке с адресом 4*02, где хранится адрес подпрограммы (ПП) ввода-вывода для УВВ, запросившего ВВ по прерываниям по входу NMI.

Второй вариант. Сигнал прерывания от УВВ поступает на вход маскируемого прерывания МП INTR (см. рис. 3.1).

Когда УВВ посылает сигнал запроса на прерывания на вход МП INTR (если прерывания разрешены), то МП реагирует на этот сигнал, считывает тип прерывания п и выполняет команду прерывания INT п, где п=0...255. Если УВВ одно, то п можно зафиксировать, например, равным 10h.

Выполнение команды INT n производится за 52 такта.При выполнении INT n реализуются следующие операции: l.Cтек-PSW,CS,IP.2.IF <- 0 (сброс триггера прерываний IF).3.CS: IP <- [4*n] (переход к ПП обработки прерывания, размещенной по адресу [4*п]).

При выходе из этой ПП выполняется команда IRET, которая извлекает из стека содержимое слова состояния PSW и регистров-указателей адреса CS, IP.

3.3. Виды системных прерыванийМПС может содержать несколько ВУ, осуществляющих ВВ по прерываниям. В этом случае

разработчик определяет приоритеты обслуживаемых ВУ. Например, считает, что из ВУО, ВУ1,.... ВУ7 устройство ВУО имеет наивысший приоритет. При обслуживании прерываний от нескольких ВУ различают два вида систем прерываний.

1. Многоуровневая векторная система прерываний

Page 57: комплект лекций

Характеризуется тем, что если при обслуживании прерывания текущего ВУ поступил запрос на ВВ по прерыванию от ВУ с более высоким приоритетом, система прерывает обслуживание текущего ВУ и переходит к обслуживанию ВУ с более высоким приоритетом (см. рис.3.2).

Если одновременно поступило несколько запросов на прерывание, то из них выбирается ВУ с более высоким приоритетом.

2. Одноуровневая система прерыванийЕсли при обслуживании прерывания текущего ВУ поступил запрос на прерывание от ВУ с более

высоким приоритетом, то система закончит обслуживание текущего ВУ, а затем перейдет к обслуживанию ВУ с более высоким приоритетом.

3.4. Организация интерфейса ввода-вывода для одноуровневых систем прерыванийОдноуровневая система прерываний может быть реализована на базе программного или аппаратного

полинга (опроса) ВУ, требующих обслуживания по прерываниям.3.4.1. Программный полинг

Для данного метода при обслуживании прерываний от нескольких ВУ важно выявить устройства, запросившие обмен, и определить из них устройство с высшим приоритетом. Эти задачи могут решаться специальной программой полинга. При программном полинге схема интерфейса (рис. 3.4) содержит специальный регистр состояния Ргсост о запросах ВУ, состоящий из триггеров прерываний Тпрi , хранящих поступившие запросы на прерывание ЗГИ от внешних устройств ВУi.

Рис. 3.4. Структура интерфейса ВВ при программном полинге

При поступлении сигнала ЗПi от любого ВУi, независимо от их приоритетов, на вход INTR МП поступает сигнал запроса на прерывание. МП переходит в режим работы по прерыванию, считывает с регистра типа прерывания код прерывания n=10h и выполняет команду INT 10h. При ее выполнении МП переходит к подпрограмме обслуживания прерывания по адресу [4*10h].

При выполнении подпрограммы в начале проверяется содержимое регистра состояния. Например, пусть в нем в виде "1" зафиксированы запросы на прерывания ЗПi от ВУ1, ВУЗ и ВУ4:

При обслуживании ВУ возможны следующие варианты алгоритмов опроса и обслуживания устройств:

1. Обслуживание всегда производится с ВУ с наибольшим приоритетом (рис. 3.5).

Page 58: комплект лекций

Рис. 3.5. Алгоритм обслуживания ВУ с наибольшим приоритетом

Недостатком данного алгоритма является то, что ППОП всегда в начале обслуживает ВУ с более высоким приоритетом, а до ВУ с низкими приоритетами может и не добраться, так как их обслуживание постоянно откладывается, если снова поступает ЗП от ВУ с более высокими приоритетами.

2. Обслуживается вначале ВУ с более высоким приоритетом (рис. 3.6), затем с менее высоким и так далее, пока не будет обслужено ВУ с самым низким приоритетом из всех, требующих ВВ по прерываниям.

При технической реализации интерфейса программного полинга в качестве буферных регистров и битов (триггеров Тпр) регистра состояния можно использовать регистры КА и КС ППА К580ВВ55.

Достоинством программного полинга является простота технической реализации и программирования, а недостатком - значительная реакция системы на сигнал прерывания (реакция - это отрезок времени между моментом поступления сигнала запроса на прерывание и моментом, когда ВУ осуществит ВВ данных). Это связано с тем, что анализ состояния ВУ и выбор ВУ с наивысшим приоритетом осуществляются программно, на что требуется время.

Рис. 3.6. Алгоритм обслуживания всех ВУ, запросивших ВВ по прерываниям

3.4.2. Аппаратный полингАппаратный метод опроса быстрее программного, так как позволяет выявить ВУ с высшим

приоритетом с помощью схемы, называемой дейзицепочкой. С помощью этой схемы формируется, например, трехбитный вектор прерывания V=XXX для восьми ВУ. Значение вектора V равно номеру i BУi с наивысшим приоритетом из ВУ, запросивших ВВ по прерываниям. Так, если одновременно поступили сигналы запросов на прерывания ЗПi от ВУ1, ВУЗ, ВУ7, то схема сформирует вектор V=001.

Page 59: комплект лекций

На рис. 3.7 приведена схема аппаратного полинга на базе дейзицепочки, представляющей собой многоступенчатую схему "И" (см. верхний ряд схем "И").

Сигнал INTA проходит на следующую ступень, если это разрешило ВУ с более высоким приоритетом, не запросившее ВВ по прерываниям. Так, если ВУО не запросило ВВ, то INTA пройдет на следующую ступень 1 и т.д. Нижний ряд схем "И" необходим для формирования сигналов для шифратора, формирующего вектор V в соответствии с таблицей истинности 3.1. В ней "1" обозначено ВУ, запросившее ВВ по прерываниям, "0" - ВУ, не требующее ВВ, "X" - {ОД}.

Рис.3.7. Схема аппаратного полинга3.5. Многоуровневые векторные прерывания5.5.7. Состав системы с многоуровневыми векторными прерываниямиДля реализации данного вида систем прерываний используются специальные интерфейсные БИС -

программируемые контроллеры прерываний (ПКП), которые подключаются к шине МП (рис. 3.8). Их применение позволяет решить две проблемы: обслужить ВУ с высоким приоритетом, прервав обслуживание ВУ с меньшим приоритетом, и уменьшить реакцию на прерывание.

Рис. 3.8. Структура многоуровневой векторной системы прерываний

Типы ПКП, используемые для построения многоуровневых векторных систем прерывания, следующие:

1. Для МПС на базе К580ВМ80 (i8080) применяют:а) блок приоритетных прерываний БПП К589ИР14 (i8214). Он фор

мирует однобайтную команду RST V. Ее код l lxxxl l l содержит трехбитный вектор прерывания V=xxx.

б) ПКП К580ВH59. Контроллер формирует на выходе трехбайтнуюкоманду CALL B3B2 вызова ППОП, в байте В2 которой содержится трехбитный вектор V.

Page 60: комплект лекций

2. Для МПС на базе МП семейства 80X86 используют БИС i8259A(К1810ВН59А), которая формирует на своем выходе восьмибитный код n-тип прерывания для команды INT п. Этот ПКП может быть также использован для МПС на базе МП К580ВМ80. После перепрограммирования контроллер прерываний будет вместо n формировать для МП К580ВМ80 команду CALL ВЗВ2.

Лекция№13 4. ВВОД-ВЫВОД С ПРЯМЫМ ДОСТУПОМ К ПАМЯТИ (ПДП)

4.1.Общая организация ПДПВ первых двух методах ВВ обмен данными между памятью (ОЗУ) и УВВ осуществляется через

МП, а при ПДП - напрямую, минуя МП.

Для управления вводом-выводом при ПДП для систем на базе МП 80X86 используется контроллер ПДП (КПДП) i8237 (К1810ВТ37).

4.2. Структура МПС с контроллером ПДП К1810ВТ37 (i8237)На рис. 4.1 показано подключение КПДП к шине МПС.

Рис.4.1. Схема подключения КПДП к шине МПС

Обмен данными в режиме ПДП производится через системную шину (СШ) ЦП, состоящую из шин данных, адреса и управления. Эту шину в режиме ПДП захватывает КПДП, а модуль ЦП отключается от нее. При этом КПДП формирует свои сигналы чтения и записи Чт и Зп и адрес для основной (оперативной) памяти. Обмен производится до тех пор, пока не будет передано

Page 61: комплект лекций

необходимое количество байт массива. Перед обменом необходимо запрограммировать КПДП. При этом в КПДП с помощью команды вывода OUT передаются:- число байт в передаваемом массиве данных, загружаемое в счетчик байтов;- начальный адрес массива, загружаемый в регистр адреса КПДП; -управляющие слова, задающие в РУС режимы работы контроллера.

При обмене данными в режиме ПДП МП 80X86 переходит в режим "захват" (рис. 4.2). На рис. 4.2 через TI обозначены холостые такты МП.

Рис. 4.2. Временные диаграммы работы МП 8086 в режиме "захват"

Пусть в некоторый момент времени ВУ выдало контроллеру сигнал запроса на ПДП DRQ0, имеющий наивысший приоритет. Реагируя на него, контроллер ПДП выдает сигнал HOLD (захват). МП в конце каждого цикла шины проверяет сигнал запроса HOLD, который формирует КПДП. МП, реагируя на HOLD, выставляет сигнал подтверждения захвата HLDA, который поступает на КПДП и переводит его в активный, а ЦП в пассивный режим работы, при котором ЦП отключается от системной шины. КПДП захватывает СШ и управляет передачей данных, формируя свои сигналы чтения, записи и адреса. Когда обмен данными завершен (счетчик-байт КПДП равен 0), КПДП снимает сигнал HOLD, переводит ЦП в активный режим и формирует сигнал DASK0 - завершение ПДП для ВУ0.

КПДП имеет еще по три сигнала DRQ1-DRQ3 и DASK1-DASK3 для организации в целом четырех каналов ПДП для четырех устройств.

Максимальный объем данных, передаваемых КПДП К1810ВТ37 за один сеанс, составляет 64 Кбайта. Пропускная способность ПС при ПДП зависит от ширины шины данных к (в числе байт) канала ПДП, тактовой частоты F (в МГц) шины и числа тактов п для передачи в память одного элемента данных: ПС = F x k / п. Достоинством ПДП (или DMA - Direct Memory Access) является высокая производительность при обмене большими массивами данных. На методе ПДП базируется протокол Ultra DMA, используемый в ПК IBM PC для обмена с высокопроизводительными накопителями через шину PCI со скоростью 33 МГц х 2 байта / 2 такта = 33 Мбайт/с.

Внешние устройства.Введение.Внешние устройства (ВУ) ПК — важнейшая составная часть любого

вычислительного комплекса. ВУ ПК обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой: пользователями,объектами управления и другими компьютерами.

К внешним устройствам относятся:• внешние запоминающие устройства (ВЗУ) или внешняя память ПК;• диалоговые средства пользователя;• устройства ввода информации;• устройства вывода информации;• средства связи и телекоммуникаций.

Page 62: комплект лекций

Диалоговые средства пользователя включают в свой состав:• видеомонитор (видеотерминал, дисплей) — устройство для

отображения вводимой и выводимой из ПК информации;• устройства речевого ввода-вывода. Это различные микрофонные

акустические системы, «звуковые мыши» со сложным программным обеспечением, позволяющим распознавать произносимые человеком буквы и слова, идентифицировать их и кодировать; синтезаторы звука, выполняющие преобразование цифровых кодов в буквы и слова, воспроизводимые через громкоговорители (динамики) или звуковые колонки, подсоединенные к компьютеру.

К устройствам ввода информации относятся:• клавиатура — устройство для ручного ввода числовой, текстовой и

управляющей информации в ПК;• дигитайзеры (графические планшеты) — устройства для ручного ввода

графической информации, изображений путем перемещения по планшету специального указателя (пера);

• сканеры — оборудование для автоматического считывания с бумажных и пленочных носителей и ввода в ПК машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей;

• устройства позиционирования, предназначенные для ввода графической информации на экран дисплея путем управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в ПК (мышь, трекбол, джойстик, световое перо и т. д.);

• сенсорные экраны — для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с экрана дисплея в ПК.

К устройствам вывода информации относятся:• принтеры — печатающие устройства для вывода информации набумагу;• плоттеры (графопостроители) — устройства для вывода графической

информации (графиков, чертежей, рисунков) из ПК на бумажный носитель.Устройства связи и телекоммуникации используются для связи с

приборами и другими средствами автоматизации (согласователи интерфейсов, адаптеры, цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи и т. п.) и для подключения ПК к каналам связи, к другим компьютерам и вычислительным сетям (сетевые интерфейсные платы и карты — сетевые адаптеры, «стыки», мультиплексоры передачи данных, модемы — модуляторы-демодуляторы).

1. УСТРОЙСТВА ВВОДА ИНФОРМАЦИИ1.1. КЛАВИАТУРАКлавиатура – важнейшее для пользователя устройство, с помощью

которого осуществляется ввод данных, команд и управляющих воздействий в ПК. Клавиатуры можно условно разделить на простые (самые дешевые, обычные), мультимедийные, эргономичные и беспроводные. Причем эти функции могут сочетаться - например, мультимедийность и эргономичность и т.д.

На клавиши любой клавиатуры нанесены буквы латинского и национального алфавитов, десятичные цифры, математические, графические и специальные служебные символы, знаки препинания, наименования некоторых команд, функций и т. д. В зависимости от типа ПК, назначение клавиш, их обозначение и размещение может варьироваться. Чаще всего клавиатура содержит 101 клавишу, но встречаются еще и старые клавиатуры с 84 клавишами и новые, удобные для использования в системе Windows клавиатуры с 104 клавишами.

Все клавиши можно разбить на следующие группы:• буквенно-цифровые клавиши, предназначенные для ввода текстов и

чисел;

Page 63: комплект лекций

• клавиши управления курсором; эта группа клавиш может быть использована также для ввода числовых данных, просмотра и редактирования текста на экране;

• специальные управляющие клавиши: переключение регистров, прерывание работы программы, вывод содержимого экрана на печать, перезагрузка ПК и т. д.;

• функциональные клавиши, широко используемые в сервисных программах в качестве управляющих клавиш.

Буквенно-цифровые клавиши занимают центральную часть клавиатуры. Расположение букв и цифр на клавишах соответствует расположению их на клавиатуре пишущей машинки. Латинские буквы на клавиатуре расположены по стандарту QWERTY, названному так по последовательности первых шести букв в верхнем ряду буквенной клавиатуры. Для русского алфавита размещение буквенно-цифровых клавиш соответствует расположению клавиш на пишущих машинках с русским шрифтом – стандарт ЙЦУКЕН (первые шесть букв в верхнем ряду буквенной клавиатуры). Для обеспечения ввода с клавиатуры русских букв необходим соответствующий драйвер, который должен быть предварительно загружен в оперативную память и оставаться в ней резидентно. Переключение клавиатуры в режим ввода русских букв (символов кириллицы) и обратный переход на ввод латинских букв осуществляется нажатием одной или двух специальных клавиш: для разных драйверов по-разному, но чаще всего Ctrl + Shift.

Для алфавитно-цифровых клавиш существует понятие регистра, то есть режима их использования. Имеется две пары регистров: верхний-нижний и латиница-кириллица. В верхнем регистре вводятся прописные (заглавные) буквы, а в нижнем – строчные (маленькие); а также специальные символы и цифры, помещенные соответственно на верхней и нижней части клавиши.

Регистры могут использоваться в различных сочетаниях, например, верхний латинский, верхний русский и т.д.

Выбор режима нижний-верхний производится при помощи клавиши Caps Lock (Capitals Lock — фиксация прописных букв) и Shift (сдвиг, замена). Клавиша Caps Lock закрепляет режим ввода прописных или строчных букв. В режиме прописных букв («верхний») светится индикатор Caps Lock в верхней правой части клавишной панели. Клавиша Shift изменяет режим клавиатуры на противоположный, пока она нажата.Клавиши управления курсором расположены в правой части панели клавиатуры. Для удобства работы они продублированы и состоят из трех групп:• малая цифровая клавиатура;• клавиши просмотра текста на экране и его редактирования;• клавиши управления курсором.Клавиши малой цифровой клавиатуры могут быть использованы в двух режимах:• в режиме управления курсором;• в режиме ввода цифр, знаков математических операций и точки.

Выбор режима производится при помощи клавиши Num Lock (Number Lock -фиксация цифр) и Shift. Клавиша Num Lock закрепляет режим ввода цифр, a Shift изменяет режим клавиатуры напротивоположный, пока она нажата.

Функциональные клавиши F1-F12 размещены в верхней части клавиатуры. Эти клавиши предназначены для различных специальных действий. Для каждого программного продукта они имеют свое назначение.

104-клавишные клавиатуры стали de facto стандартомсовременных клавиатур. Они имеют три дополнительные клавиши,

которые применяются для ускорения выполнения Windows-функций:• клавиши Win (Windows). Это две клавиши слева и справа от клавиши

пробела применяются для активизации различныхфункций операционной

Page 64: комплект лекций

системы. При нажатии на одну из клавиш вызывается панель задач и открывается меню «Пуск». Это действие эквивалентно комбинации Ctrl+Esc. Клавиши Win также похожи на клавиши-модификаторы, так как специальными комбинациями реализуют следующие действия, которые обычно доступны из меню «Пуск»:

• Win+Tab – перемещение по открытым приложениям в панели задач; • Win+Pause – открывает панель свойств системы; • Win+F1 – запускает справочную систему Windows; • Win+E – открывает экземпляр «Проводника» с папкой «Мой

компьютер»; • Win+F – открывает диалог «Найти файлы или папки»; • Win+Ctrl+F – открывает диалог «Найти компьютер»; • Win+M – сворачивает все открытые окна; • Win+Shift+M – повторно открывает все текущие окна; • Win+R – открывает диалог «Запуск программы»; • клавиша контекстного меню. Эта клавиша, расположенная с правой

стороны клавиатуры, применяется для имитации щелчка правой кнопкой мыши в текущей позиции мыши. Обычно при этом открывается контекстное меню с командами, относящимися к окну или объекту, на которых находится указатель мыши при нажатии клавиши.

«Мультимедийность» подразумевает наличие дополнительного набора клавиш управления CD-приводом (стоп, воспроизведение, пауза, смена ускоренное воспроизведение трека) и кнопок управления громкостью. Обычно рядом с «музыкальными» расположены клавиши быстрого вызова приложений, а также кнопки управления питанием («спящий» режим, полное выключение, вывод из режима пониженного энергопотребления). И, конечно, на волне всеобщей моды мультимедийная клавиатура не может обойтись без кнопок прямого вызова Web-броузера и почтового клиента.

Беспроводная клавиатура, позволяет свободно перемещаться по комнате и работать на компьютере в любом удобном месте. Беспроводные клавиатуры для передачи сигналов используют лучи инфракрасного диапазона (интерфейс IrDA), которые принимаются специальным устройством, непосредственно подключенным к компьютеру или применяется усовершенствованная двухканальная цифровая радио-технология. В этом случае два приемопередатчика «общаются» по радиоканалу: один находится в клавиатуре и подключен к внутреннему контроллеру, а второй является отдельным устройством, которое содержит кабель клавиатуры и обычный разъем для подключения к PC. Если в обычной клавиатуре контроллер и материнская плата общаются как бы по проводному телефону, то в беспроводной клавиатуре они общаются как по мобильным телефонам.

Из «экзотических» клавиатур следует отметить:• гибкую резиновую клавиатуру. Она бесшумна, надежна (успешно

сопротивляется различным механическим и химическим воздействиям), очень тонкая, может быть свернута в виде цилиндра;

• клавиатуры с идентификацией пользователя по «отпечаткам пальцев» и силе нажатия;

• многофункциональные клавиатур с элементами телекоммуника- ционных систем и т. д.

Имеются клавиатуры со встроенными манипуляторами типа трекбол (trackball) и т. д. Появилось сообщение фирмы Data Hand Systems о разработке эргономичной, сокращающей движения руки 5-клавишной клавиатуры: 4 клавиши для ввода букв и цифр и 1 клавиша манипулятора. Каждая клавиша имеет 5 направлений движения: влево, вправо, вперед, назад и вниз. При работе кисть руки удобно лежит в специальном углублении, а клавишами управляют лишь кончики пальцев.

Page 65: комплект лекций

Блок клавиатуры в настольных ПК конструктивно выполнен автономно от основной платы компьютера и, кроме клавиатуры, содержит контроллер клавиатуры, состоящий из буферной памяти и схемы управления. Он подключается к системной плате с помощью 4-

проводного интерфейса (линии интерфейса используются для передачи, соответственно, тактовых импульсов, данных, напряжения питания +5В, последний – «земля»). Для клавиатур существует несколько вариантов интерфейсов: стандартный разъем DIN, разъем PS/2, инфракрасный порт (IrDA), интерфейс USB. Чаще всего используются интерфейсы DIN и PS/2, но самым перспективным является интерфейс USB.

Контроллер клавиатуры осуществляет:• сканирование (опрос) состояния клавиш;• буферизацию (временное запоминание) до 20 отдельных кодов клавиш

на время между двумя соседними опросами клавиатуры со стороны МП;• преобразование с помощью программируемых системных таблиц

(драйвера клавиатуры) кодов нажатия клавиш (SCAN- кодов) в коды ASCII;• тестирование (проверку работоспособности) клавиатуры при

включении ПК.При нажатии и отпускании клавиши в буферную память контроллера

клавиатуры поступает код нажатия или отпускания (соответственно, 0 или 1) в седьмой бит байта и номер клавиши или ее SCAN-код в остальные 7 битов. При поступлении любой информации в буферную память посылается запрос на аппаратное прерывание, инициируемое клавиатурой. При выполнении прерывания SCAN-код преобразуется в код ASCII, и оба кода (SCAN- код и ASCII-код) пересылаются в соответствующее поле ОЗУ машины. При этом по наличию кода отпускания проверяется, все ли клавиши отпущены в момент нажатия следующей клавиши (это необходимо для организации совместной работы с клавишами Shift, Ctrl, Alt и др.)

Контроллер клавиатуры организует и автоматическое повторение клавишной операции, если клавиша нажата более 0,5 с, то генерируются повторные коды нажатия клавиши через регулярные интервалы так, как если бы вы клавишу нажимали повторно.

Любой ASCII-символ может быть введен с клавиатуры путем набора на малой цифровой клавиатуре десятичного кода, равного шестнадцатеричному ASCII-коду, с одновременным нажатием (и удержанием на время набора) клавиши Alt. Таким образом, можно ввести любой управляющий символ и символ псевдографики из таблицы ASCII-кодов.Лекция№14 1.2. УСТРОЙСТВА ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ1.2.1. Мышь

Поначалу на рынке PC-совместимых компьютеров мышь не пользовалась особым спросом, но с появлением Windows и OS/2 стала почти обязательной принадлежностью всех систем. Сейчас мышь входит в комплект практически каждого компьютера.

Среди фирм-производителей этого устройства наиболее крупными являются Microsoft и Logitech. Мыши делятся на механические, оптико-механические и оптические. Не так давно появилось деление мышей на обычные и «скроллирующие» (имеющие специальные кнопки или их заменители для прокрутки документов и выполнения других специфических функций). Также мыши делятся по способу передачи данных в компьютер: на проводные и беспроводные. Но независимо от способа передачи сама мышь (или некоторое промежуточное устройство - в случае использования беспроводной технологии) должна быть подключена к компьютеру. Мышь подключается одним из четырех способов при помощи специального адаптера в виде платы расширения, стандартного последовательного порта, порта мыши в стиле PS/2 или к разъему шины USB. Существуют и так называемые combo-мыши, способные

Page 66: комплект лекций

подключаться и к PS/2-разъему и к последовательному порту (при помощи специального переходника). Несмотря на внешнее разнообразие, все устройства работают одинаково. Основными

компонентами мыши являются:• корпус, который вы держите в руке и передвигаете по рабочему столу;• шарик — датчик перемещения мыши;• несколько кнопок (обычно две) для подачи (или выбора) команд;• кабель для соединения мыши с компьютером;• разъем для подключения к компьютеру.Корпус мыши сделан из пластмассы, и в нем практически нет

движущихся компонентов. В верхней части корпуса, под пальцами, располагаются кнопки. Количество кнопок может быть разным, но обычно их только две. Для работы дополнительных кнопок нужны специальные программы. Внизу располагается небольшой покрытый резиной металлический шарик, который вращается при перемещении мыши по столу. Вращение шарика преобразуется в электрические сигналы, которые по кабелю передаются в компьютер.

Взаимодействие мыши и компьютера осуществляется с помощью специальной программы-драйвера, которая либо загружается отдельно, либо является частью системного программного обеспечения. Например, для работы с Windows или OS/2 отдельный драйвер для мыши не нужен, но для большинства DOS-приложений он необходим. В любом случае драйвер (встроенный или отдельный) преобразует получаемые от мыши электрические сигналы в информацию о положении указателя и состоянии кнопок.

Устроена мышь довольно просто (рис.1): шар касается двух валиков, один из которых вращается при движении вокруг оси X, а второй — вокруг оси Y. На оси с валиками насажены небольшие диски с щелями,через которые проходят (или не проходят) инфракрасные лучи от соответствующих источников. При вращении дисков лучи периодически прерываются, что регистрируется соответствующими фотодатчиками. Каждый импульс прошедшего

излучения Рис.1. Устройство мыши расценивается как один шаг по одной из координат. Такие оптико-механические датчики получили наибольшее распространение.

Оптические мыши полностью лишены движущихся частей. Фотодатчики установлены прямо на нижней поверхности корпуса мыши. Обычно для работы с такими мышами применяется специальный коврик, разграфленный в клеточку черными и красными линиями. В данном случае аппаратура мыши считает не световые импульсы, полученные вследствие вращения осей, а число пересеченных линий каждого цвета. Оптические мыши очень надежны (из-за отсутствия движущихся частей). Однако есть у них и недостаток: для коврика необходимо больше места, чем обычной оптико-механической мыши, способной перемещаться по любой поверхности.

К новому подтипу относится новая разработка Microsoft Intellimouse Explorer. В отличие от обычных оптических мышей, этой коврик не нужен. В ней установлен цифровой сигнальный процессор мощностью 18 MIPS, работа которого – сравнивать в реальном времени картинки, поступающие с оптического сенсора. По результатам сравнений и определяется, в какую сторону и с какой скоростью перемещается мышь.

Большинство мышей подключается к компьютеру при помощи тонкого многожильного кабеля. Длина кабеля мыши обычно колеблется от 1,2 до 2 м. Такой способ достаточно прост и дешев, однако не лишен некоторых

Page 67: комплект лекций

недостатков. Лишние провода на рабочемстоле имеют тенденцию запутываться, перекручиваться и т.д. Выход из такого положения есть: нужно подключать при помощи кабеля только специальный приемник, а связь мыши с последним осуществлять без помощи проводов. Так работают беспроводные

мыши. Первые из них для связи с приемником применяли инфракрасную связь, но она имеет некоторые недостатки: инфракрасные лучи не проходят сквозь любую преграду и

передающая часть мыши должна быть достаточно точно нацеленной на приемник. Поэтому первые беспроводные мыши не пользовались большим спросом.

Ситуация изменилась после перехода на радиоволны. В данном случае обеспечивается работа в пределах телесного угла 90° (вершина угла — приемник). Никакие бумаги не мешают распространяться радиоволнам. Благодаря использованию высоких частот (порядка 25-30 МГц) радиомышки не мешают работе другого компьютерного оборудования и бытовой техники.

В «скроллирующей» мышке между кнопками появилось колесико, которое позволяет выполнять некоторые функции:

• простой скроллинг документа. Для этого достаточно вращать колесико в том или ином направлении (в Windows-приложениях), вместо щелчков в полоске скроллинга или буксировки бегунка;

• быстрое масштабирование. Для этого необходимо удерживать нажатой клавишу Ctrl и вращать колесико в том или ином направлении (в совместимых приложениях), не привлекая меню на панеле инструментов;

• автоматический скроллинг (Auto-Scroll). Для этого необходимо нажать колесо, установить скорость скроллинга и затем наблюдать автоматический скроллинг документа.

В конце 2003 года, фирма Microsoft изобрела новое колесо для мыши. Колесики новых мышей будут обладать дополнительной степенью свободы, заключающейся в их способности, не только крутиться, но и отклоняться в разные стороны (влево-вправо). Таким образом, станет возможным перелистывать экран не только по вертикали, но и по горизонтали. Подобная функция, позволит с удобством просматривать объемные web-сайты, таблицы и презентации.1.2.2. Трекбол

Традиционная мышь неудобна тем, что для перемещения курсора по экрану необходимо физически двигать мышь, что не всегда возможно при работе на портативном компьютере. Для устранения этого недостатка было разработано указывающее устройство, называемое трекболом (trackball). Это устройство фактически представляет собой перевернутую мышь, при его использовании вы двигаете рукой шарик, а не все устройство, сам же корпус трекбола остается неподвижным. На корпусе трекбола имеются кнопки, эквивалентные кнопкам мыши. Часто в портативных компьютерах трекбол встраивается непосредственно в клавиатуру, а его кнопки располагаются внизу клавиатуры под клавишей пробела. С точки зрения дизайна трекбол идентичен мыши по базовым функциям и электрической «начинке», но отличается ориентацией и размером шарика.

В некоторых трекболах реализована технология Plug and Play, т.е. они готовы к работе сразу после подключения к компьютеру, а другие требуют инсталлировании специального драйвера. Обычно драйвер предусматривает настройку чувствительности трекбола и назначения различных функций его кнопкам.

IBM производит устройство, называемое трекпоинт (Trackpoint), которое может использоваться и как мышь (шариком вниз), и как трэкбол (шариком вверх).1.2.3. Трекпоинт ll/lll

Page 68: комплект лекций

20 октября 1992 года IBM на своих новых компьютерах ThinkPad 700 и 700С внедрила революционно новое устройство позиционирования, названное трекпоинт II. Это устройство, часто называемое манипулятором, представляет собой небольшой резиновый рычажок, находящийся на клавиатуре между клавишами <G>, <H> и <В>. После появления мыши это был самый решительный шаг вперед в развитии технологии манипуляторов.

Такое устройство практически не занимает места на клавиатуре, не имеет подвижных частей, которые могли бы сломаться или загрязниться. А самое главное — от вас не требуется убирать руки с клавиатуры, что очень удобно, если вы печатаете вслепую.

Еще одно достоинство трекпоинта состоит в том, что его можно использовать вместе с мышью, обеспечив двойное управление указателем. На экране присутствует только один указатель, но его можно перемещать как с помощью трекпоинта, так и с помощью подключенной мыши. С этими устройствами могут работать два пользователя (перемещая при этом один и тот же указатель). Приоритетом пользуется устройство, начавшее перемещение, и управление указателем сохраняется за ним до окончания движения. Второе устройство позиционирования при этом автоматически блокируется.

Очевидно, что трекпоинт является идеальным устройством позиционирования для портативных компьютеров. Поэтому некоторые их производители, например Toshiba, приобрели лицензию на устройство позиционирования трекпоинт у фирмы IBM. Часто они присваивают ему другое название, хотя технология и манипулирование им аналогичны. Так, Toshiba в своих системах называет его Accupoint.

Новое устройство трекпоинт III отличается от предыдущего в основном материалом, из которого изготовлен резиновый колпачок. Если в трекпоинт II фирмы IBM и в Accupoin фирмы Toshiba колпачки изготавливались из силиконовой резины, которая легко пачкалась и становилась липкой, что требовало очистки, то колпачки трекпоинта III изготовлены из другого более шероховатого материала. Их не нужно постоянно очищать.

Другим отличием трекпоинта III от трекпоинта II является новая технология IBM, в которой программное обеспечение учитывает не только то, насколько быстро вы двигаете указателем, но и как быстро вы нажимаете и отпускаете устройство.1.2.4. Устройство Glidepoint/Track Pads

В ответ на появление TrackPoint некоторые компании предложили свои варианты конструкции устройств позиционирования. Например, фирма Alps Electric представила ycтройство указания, названное Glidepoint. В нем используется плоский квадратный планшет, который реагирует на положение пальца. Glidepoint размещаются не между клавишами, а под клавишей пробела и измеряют давление, оказываемое пальцем, на планшет. Датчик под планшетом преобразует движение пальца в движение указателя на экране. Несколько производителей портативных компьютеров приобрели лицензию на это устройство в фирме Alps и оснащают им свои системы. Новые устройства для портативных систем TrackPoint и Glidepoint полностью затмили некогда популярные Trackball и мышь.1.2.5. Джойстик

Для компьютерных игр в качестве указывающих устройств разработано множеств игровых контроллеров, но наиболее популярным из них является джойстик (joystick), который буквально переводится как «палочка для удовольствия». Он представляет собой

ручку, которую можно поворачивать в любом направлении, и в зависимости от направления поворота ручки перемещается курс на экране. В конструкции джойстика предусмотрены также кнопки, действие которых

Page 69: комплект лекций

напоминает операции кнопок мыши. Джойстик позволяет вводить в компьютер информацию о двух координатах ручки управления и о состоянии двух кнопок. Вместо двухкоординатной ручки может быть сделан руль автомобиля с педалью газа или что-либо иное, были и простейшие игровые устройства (paddle) с парой ручек потенциометров и парой кнопок. Джойстик используют в играх, где за счет возможности пропорционального управления (сигнал вырабатывается пропорционально отклонению ручки) он гораздо привлекательнее, чем клавиатура. С самых первых моделей IBM PC был введен и фактически стандартизован интерфейс игрового адаптера — Game port, к которому можно подключить до двух джойстиков или иных устройств.

Из-за расточительного использования процессорного времени на преобразования (а их приходится выполнять регулярно, чтобы отслеживать динамику движения) традиционный джойстик и игровой адаптер из современных компьютеров изживают. Их место должны занять устройства с интерфейсом шины USB, в которых преобразования с точки зрения центрального процессора выполняются аппаратно. Такие джойстики называют цифровыми. Есть и цифровые джойстики с интерфейсом СОМ-порта.

Существуют и джойстики с механической обратной связью — в них на органы управления (рычаг, руль) воздействуют на моторы привода, получающие управляющие сигналы от компьютера. Таким образом, например, может имитироваться сопротивление повороту руля автомобиля, удар по рулю при наезде на препятствие или, наоборот, ослабление сопротивления руля при заносе. Для подачи управляющих сигналов интерфейс игрового порта не приспособлен, поэтому для этих сигналов используется дополнительный интерфейсный кабель (от СОМ-порта). Джойстик с интерфейсом USB, естественно, по одному кабелю передает информацию в обе стороны. Цифровые джойстики требуют установки специальных драйверов.1.3. ДИГИТАЙЗЕРЫ

К устройствам-указателям относятся и дигитайзеры — устройства оцифровки изображений. В этих устройствах лист изображения закрепляется на специальном планшете, и, подводя специальный указатель (в виде пера или «оптического прицела») к элементам изображения, по нажатию кнопки в компьютер вводят точные координаты элемента. Дигитайзеры большого размера используются, например, для ввода чертежей (формата A3 и более). Малогабаритные дигитайзеры (например, формата А4) с указателем- пером используются художниками-оформителями — с их помощью можно рисовать привычными движениями (рисование мышью или трекболом очень неудобно). Дигитайзеры являются векторными устройствами ввода.1.4. СКАНЕРЫ

Сканер — это растровое устройство ввода в компьютер графической информации непосредственно с бумажного документа.

История сканеров насчитывает более 150 лет. Началась она в 50- х годах XIX века, когда итальянским ученым Джованни Казелли был изобретен так называемый пантелеграф. Прибор Казелли предназначался для передачи изображений на расстояние. Естественно, для этого их требовалось преобразовать в электрические сигналы. Роль считывающей головки в устройстве играла металлическая игла, а изображение рисовалось токопроводящими чернилами.

Следующим шагом к созданию сканера стало изобретение в начале XX века фототелеграфа. Работа этого прибора была основана на принципиально новом технологическом решении - фоточувствительном элементе - позволяющем заменить примитивную иглу световым лучом. Авторство принципа фотоэлектрического чтения принадлежит немецкому физику Артуру Корну. Он же в 1906 г. первым продемонстрировал этот принцип в действии. В фототелеграфе Корна передаваемое изображение закреплялось на прозрачном

Page 70: комплект лекций

вращающемся барабане, луч света от лампы, перемещающейся вдоль оси барабана, проходил сквозь оригинал и через расположенные на оси барабана призму и объектив попадал на селеновый фотоприемник. До сих пор по аналогичному принципу работают барабанные сканеры, самые дорогие, но и обеспечивающие наивысшее качество.

Позже был придуман плоскостной (планшетный) способ сканирования. Отсутствие вращающегося барабана упростило механику, считывающие устройства стали компактнее и дешевле, что значительно расширило спектр их возможных применений. Принципиальное отличие сканера от родственных ему приспособлений заключено в судьбе преобразованного в электрическую форму изображения. В видеокамере электрический сигнал записывается на магнитную ленту. В фототелеграфе или телефаксе сигнал передается посредством линий связи на большое расстояние, и изображение воспроизводится на специальном печатающем устройстве. В цифровых копирах изображение преобразуется в цифровую форму и печатается с помощью встроенного механизма лазерной печати. Сканер же после оцифровки передает изображение в компьютер.

Сканеры весьма разнообразны, и их можно классифицировать по целому ряду признаков. Прежде всего, сканеры бывают черно-белые и цветные.

Черно-белые сканеры позволяют считывать штриховые изображения и полутоновые. Штриховые изображения не передают полутонов, или, иначе, градаций серого. Полутоновые способны распознать и передать 16, 64 или 256 уровней серого цвета.

Цветные сканеры работают и с черно-белыми, и с цветными оригиналами. В первом случае они так же пригодны для считывания и штриховых, и полутоновых изображений. В цветных сканерах используется цветовая модель RGB (Red — Green — Blue): сканируемое изображение освещается через вращающийся RGB-светофильтр или от последовательно зажигаемых трех цветных ламп; сигнал, соответствующий каждому основному цвету, обрабатывается отдельно.

Число передаваемых цветов колеблется от 256 до 65 536 (стандарт HighColor) и даже до 16,7 миллионов (стандарт TrueColor).

Разрешающая способность сканеров измеряется в количестве различаемых точек на дюйм изображения и составляет от 75 до 1600 dpi (dots per inch).

По конструктивному исполнению сканеры делятся на ручные (hand-held) и настольные (desktop). Есть и комбинированные устройства, сочетающие в себе возможности обоих типов.

Настольные, в свою очередь, классифицируются на планшетные (flatbed), с полистовой подачей (роликовые, sheet-fed) и проекционные (overhead).

Особняком стоят слайд-сканеры, считывающие изображение с прозрачных носителей.

Основные характеристики сканеров:• оптическое разрешение – определяется как количество

светочувствительных элементов в сканирующей головке, поделенное на ширину рабочей области. Выражается в точках на дюйм (dots per inch, dpi). Высокое разрешение необходимо, как правило, только для комфортного визуального восприятия. Для нормальной работы программ распознавания образов вполне достаточно величины 300 dpi, а для публикации картинок на web-сайтах и того меньше — 80 dpi;

• интерполяционное (программное, логическое) разрешение — произвольно выбранное разрешение, для получения которого драйвер сканера рассчитывает недостающие точки;

• разрядность (глубина цвета) — определяет степень подробности информации об отсканированной точке изображения. Чем больше разрядов (битов) используется для представления отдельной точки изображения, тем

Page 71: комплект лекций

более подробна информация о ней. Так, например, глубине цвета в один бит соответствуют два цвета — черный и белый, и, соответственно, точка может быть или черной, или белой. Восьми битам соответствует 256 цветов (как правило, это градации серого). Достаточной глубиной цвета является 24 бит, когда на каждый компонент цвета — красный, синий, зеленый — отводится 8 бит и, соответственно, 256 градаций. В совокупности это дает 16,7 млн возможных комбинаций цветов. Более тонкие оттенки человеческий глаз не различает;

• динамический диапазон сканера характеризует его способность различать близлежащие оттенки (прежде всего это касается темных областей оригинала). Динамический диапазон можно определить как разницу между самым светлым оттенком, который сканер отличает от белого, и самым темным, но отличимым от черного. Измеряется динамический диапазон в специальных единицах, именуемых D. Теоретически 24-разрядный сканер может иметь диапазон 2,4 D, а 36-разрядный — 3,2 D. Для повседневной работы вполне достаточна величина и 2,4 D, и лишь для художественных цветных и полутоновых изображений требуется 3,0 D;

• скорость сканирования определяется по-разному: и в миллиметрах в секунду, и в листах в минуту, но чаще в количестве секунд, затрачиваемых на сканирование одной страницы. Следует иметь в виду, что связь между скоростью сканирования и качеством получаемого изображения в большинстве случаев отсутствует. Равно как и связь между скоростью сканирования цветного и черно-белого изображений.Лекция№15 1.4.1. Планшетные сканеры1.4.1.1. CCD-сканеры

Все планшетные сканеры работают по одному принципу - неподвижный оригинал и перемещающаяся вдоль него считывающая каретка. Оригинал помещается на стеклянный столик и прижимается к нему крышкой. Под стеклом движется каретка, в которую вмонтирована подсвечивающая оригинал лампа и подвижное (относительно оригинала, а не каретки) зеркало. Есть еще и неподвижное зеркало, направляющее отраженный оригиналом и подвижным зеркалом световой поток в объектив. Объектив фокусирует изображение на линейке фоточувствительных элементов (CCD - Couple Charge Device - прибор с зарядовой связью, ПЗС). Снятый с элементов ПЗС электрический сигнал оцифровывается с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) (рис.2).

Разумеется, за годы упорного соревнования между производителями планшетных сканеров было придумано много усовершенствований. В частности, в современных моделях на каретке расположено не только подвижное зеркало, но и сама ПЗС-линейка вместе с объективом и электронной схемой АЦП. Таким образом, вне каретки остается только шаговый электродвигатель, обеспечивающий перемещение каретки, контроллер управления приводом и интерфейсный модуль, отвечающий за передачу данных в компьютер.

Page 72: комплект лекций

Рис.2. Схема работы планшетного сканераОбычно выпускается несколько взаимозаменяемых интерфейсных

модулей - с портами SCSI, USB и LPT.Для освещения оригинала в старых моделях использовались

флуоресцентные лампы, близкие родственницы обычных ламп дневного света. Из-за присущих им недостатков – нестабильность параметров светового потока, ограниченный срок службы – на сегодня их полностью вытеснили лампы с холодным катодом. Они служат дольше, и характеристики у них не так «плавают», меньше времени уходит на прогрев лампы перед сканированием. Планшетные сканеры применяются для считывания как непрозрачных (в отраженном свете), так и прозрачных (на просвет) оригиналов. Для сканирования слайдов необходимо иметь специальное приспособление. Это или прижимная крышка, в которой расположен источник света, или пирамидка из двух зеркал, поворачивающая на 180 градусов свет от лампы в каретке.

При вводе цветных изображений поочередно оцифровывается отраженный от цветного оригинала красный, зеленый и синий свет (Red, Green, Blue). Раньше многие сканеры сканировали за полный проход сначала один цвет, затем второй и, наконец, третий. Но эта

схема устарела, сегодня трехпроходный сканер найти непросто.При однопроходном сканировании каждая строка оригинала считывается

тремя ПЗС-линейками, расположенными параллельно и оснащенными разными светофильтрами. После этого каретка перемещается на шаг, и все повторяется. Этот метод ускоряет сканирование и улучшает приводку основных цветов (цветовые каналы изображения состыковываются точнее).

Главная особенность планшетных сканеров - использование в них ПЗС-элементов, количество которых в каждой линейке и определяет оптическое разрешение сканера по горизонтали. В большинстве моделей в линейке собрано порядка 5 тысяч фоточувствительных элементов, причем эта линейка раза в четыре уже максимальной ширины сканируемого оригинала. В ряде современных планшетных сканеров используют и более «мощные» CCD-матрицы.

У планшетного сканера формата А4 полоса отраженного от оригинала света шириной в 210 мм (примерно 8.3 дюйма) разделяется на 5 тыс. пикселов, что соответствует оптическому разрешению в 600 пикселов на дюйм (ppi).O) Если на эту же матрицу сфокусировать полосу света, равную ей по ширине, то есть примерно двухдюймовую, разрешение составит порядка 2500 ppi. Поэтому дорогие планшетные сканеры оснащаются несколькими переключаемыми объективами и способны при считывании небольших оригиналов (фотографий

Page 73: комплект лекций

или слайдов) обеспечить разрешение, подходящее для профессиональных полиграфических работ.

Пока речь шла о разрешении по горизонтали, зависящем от оптической части устройства. Вторая составляющая – вертикальное разрешение – определяется механикой и электроникой сканера. Чем выше точность привода каретки и чем больше остановок, чтобы прочитать строку, способен сделать шаговый мотор при перемещении каретки на дюйм, тем выше разрешение по вертикали. Когда написано, что аппаратное разрешение сканера составляет 300 * 600 ppi, надо понимать так, что оптика отвечает за считывание 300 ppi в строке, а механика - за 600 строк при перемещении на один дюйм. В профессиональных планшетных сканерах аппаратное разрешение, как правило, значительно (в несколько раз) превышает 600 ppi. Например, в AGFA Scan T5000 Plus оно составляет 5000 ppi. При использовании недорогих сканеров также есть возможность получить оцифрованные изображения с разрешением 4800, 9600 ppi и выше. Но это будет другое разрешение – интерполяционное. Оно ничуть не увеличивает количество полезной информации в отсканированной картинке. В этом случае между реально считанными сканером пикселами вставляется один или несколько пикселов, для которых берется промежуточный тон. Интерполяционное разрешение позволяет получить изображение большего размера, но с менее четкими цветовыми переходами и ослабленной проработкой деталей.На практике редко имеет смысл выходить за пределы максимального оптического разрешения сканера. Если понадобится, картинку можно с не меньшим успехом растянуть в графическом редакторе.

Кто знаком с фотографией, конечно, знает, что у объективов разрешение неодинаково в центре и по краям. Это касается и сканеров. Чем дешевле модель, тем слабее установленный в ней объектив - у него меньше глубина резкости, больше разброс

разрешения. Найти оптимальную для сканирования небольших оригиналов область нетрудно. Надо взять одноцветный серый лист полного формата и после сканирования проверить в графическом редакторе (например, в Adobe PhotoShop) разброс цвета соседних пикселов с помощью инструмента "пипетка". Где разброс меньше, там и есть зона оптимального сканирования. Глубина резкости у планшетных сканеров тоже играет существенную роль. Хотя, казалось бы, отчего - оригинал-то плоский. Ну не совсем уж он и плоский. Кое-где лист отгибается (у корешка журнала, например). Бумага, чаще это тонкая «меловка», тоже бывает неровной, что при плохой оптике сказывается на резкости изображения. К тому же сканер с большой глубиной резкости дает возможность получать

изображения не только с фотографий, но и напрямую с более или менее плоских предметов. Можете попробовать сканировать монеты, компакт-диски и даже платы от вашего компьютера.

24-битные сканеры, которые еще сравнительно недавно преобладали на рынке, были пригодны для сканирования оригиналов с оптической плотностью 2.0-2.2D. Этого достаточно для непрозрачных документов. Такие сканеры довольно дёшевы и вполне удовлетворяют требованиям широкого спектра неприхотливых пользователей. Поэтому на рынке не только присутствует, но и пользуется хорошим спросом ряд дешевых моделей с заявленным динамическим диапазоном от 1.8D до 2.2D. В сканерах с 30- и 36-битным внутренним представлением уже достигается динамический диапазон порядка 3.0D, и они способны справиться с прозрачными оригиналами, у которых типовое значение плотности также составляет 3.0D. Однако это не распространяется на негативы - у тех плотность выше (порядка 3.6D). Самые дорогие профессиональные планшетные сканеры обеспечивают сканирование оригиналов с оптической плотностью до 3.7D, приближаясь по этому показателю к барабанным.

Page 74: комплект лекций

Однако надо учитывать, что в документации производители планшетных сканеров часто или вообще не указывают динамический диапазон, или приводимые ими цифры серьезно отличаются от действительных возможностей аппарата. Причина обычно не в злом умысле, а в разных методиках определения максимальной оптической плотности. Для сканирования обычных деловых документов, печатных материалов и иллюстраций из журналов подходят любые планшетные сканеры. Тут не играет большой роли максимальная оптическая плотность (обычно хватает и 2.0D), а слишком высокое разрешение может привести к столь сильному муару, что победить его будет сложно.

Модели средней ценовой категории, отличающиеся оптикой более высокого качества, повышенной разрядностью АЦП и т.д. пригодны для профессиональных графических и рекламно- издательских работ. Они прилично считывают фотоснимки, могут справиться и со слайдами. Но если пользователю необходимо сканировать прозрачные оригиналы в большом объеме, следует обратить внимание на самые дорогие модели. У них предусмотрен ряд специальных возможностей, включая, например, пакетное сканирование слайдов. Компания Agfa разработала технологию TwinPlate, суть которой в наличии у сканера одной каретки, но двух параллельных рабочих столов - для непрозрачных и прозрачных оригиналов. Естественно, применяются разные объективы. Кроме того, слайды не прижимаются к стеклу, что избавляет от эффекта колец Ньютона, «пылинок-ворсинок» и т. п. 1.4.1.2. CIS-сканеры

Наряду с традиционными CCD-сканерами, на мировом рынке представлены и упрощенные (и более дешевые) планшетные сканеры, в которых вместо ПЗС используются сенсоры CIS (Contact Image Sensor). На самом деле в этих моделях сканеров никакого контакта с изображением не происходит. Нет и принципиальной новизны в конструкции. Просто ПЗС-линейка растянута на всю ширину оригинала. Подобные считывающие устройства уже много лет применяются в факсах.

Прелесть CIS-сканеров, с точки зрения производителей, заключается в возможности обойтись без дорогого объектива и зеркал, существенно удешевить производство. Отраженный свет считывается непосредственно CIS-линейкой. Такой сканер стоит дешево и доступен большому кругу потребителей, для которых сканирование документов не входит в число часто выполняемых работ. Но по качеству считанного изображения эти сканеры зачастую заметно уступают моделям с обычными ПЗС-линейками.

У CIS-сканеров меньше глубина резкости, хуже передача близких по оттенку деталей картинки. И еще такой веский аргумент, как долговечность. Если обычные ПЗС-сканеры обеспечивают стабильное качество работы в течение 10 тысяч часов, то у CIS- сканеров по статистике отмечается существенное (до 30%) падение яркости спустя всего 500 часов.1.4.2. Роликовые сканеры

Интересно, что сканеры, в которых используется CIS-технология, на самом деле выпускаются уже давно. Это - портативные модели с протяжкой оригинала. Их часто называют роликовыми сканерами. Аналогичные по принципу действия сканирующим устройствам факсов, они подходят исключительно для быстрого ввода в компьютер текстовых документов. Раньше роликовые сканеры считывали только черно-белые оригиналы, но теперь поддерживают и цвет. Главный недостаток роликовых сканеров - они не приспособлены для сканирования многостраничных и жестких оригиналов. Книгу или журнал не отсканируешь, даже при попытке ввести фотоснимок на плотной бумаге могут возникнуть проблемы. Если оригинал и не застрянет, то он будет перемещаться мимо CIS-линейки неравномерно, одни участки окажутся сжатыми по высоте, другие - растянутыми.

Page 75: комплект лекций

Обладая к тому же низким разрешением и другими недостатками, характерными для CIS-устройств, роликовые сканеры все же находят своего потребителя. Они компактны и способны работать автономно от аккумуляторной батареи, что делает их неплохим "попутчиком" для ноутбука. На столе роликовый сканер тоже занимает мало места, часто его ставят между клавиатурой и монитором, чтобы удобнее было вставлять считываемые листы.1.4.3. Ручные сканеры

Своего рода экзотикой в последние годы стали ручные сканеры, хотя они и были широко распространены всего несколько лет назад. В этих сканерах также используются ПЗС-элементы: одна линейка в черно-белых моделях и три - в цветных. Ширина зоны сканирования составляет обычно половину формата А4, то есть десять с половиной сантиметров. Благодаря этому достигается довольно высокое оптическое разрешение (400 ppi).

Перемещение вдоль оригинала возложено на пользователя. Ручной сканер обеспечивает лишь синхронизацию этого движения со строками в получаемом изображении. Естественно, что о высокой равномерности перемещения говорить не приходится. Также велик риск получить картинку со сдвинутыми строками, если при работе рука дрогнет. Ввод документов с помощью ручного сканера требует навыков, поскольку при движении надо еще и нажимать кнопку сканирования.

Пожалуй, единственное достоинство ручных сканеров состоит в том, что они позволяют считывать информацию с любой плоской поверхности, хоть со стены, а также вводить текст и картинки из толстых фолиантов, которые на планшетный сканер не взгромоздишь. Качество изображения подходит для нужд архивирования, но не для профессиональных графических работ. Самая интересная проблема – совмещение двух половинок отсканированного оригинала формата А4. Программы, прилагаемые к ручным сканерам, часто предусматривают эту функцию. Но удастся ли ею воспользоваться, в основном зависит от твердости руки оператора.1.4.4. Слайд-сканеры

Несмотря на обилие цифровых камер, большинство все еще пользуется традиционной пленочной технологией фотографии. Следовательно, проблема сканирования слайдов по-прежнему стоит остро. Как уже говорилось, многие планшетные сканеры комплектуются приспособлениями для работы с прозрачными оригиналами, однако это не совсем то, что требуется профессиональным пользователям. Сегодня высококачественные специальные слайд-сканеры выпускаются фирмами, специализирующимися на фотоаппаратуре, такими, как Kodak, Polaroid, Nikon, Minolta, Fuji Photo Film. Стоят такие устройства от $1000 до $30000 в зависимости от характеристик.

Главная отличительная особенность слайд-сканеров - они не рассчитаны на считывание непрозрачных оригиналов, поэтому в них лампа и ПЗС-матрица расположены по разные стороны от рабочего столика. Самые дешевые слайд-сканеры предназначены для 35-миллиметровых пленок, профессиональные же модели комплектуются рамками разных форматов, планшетами на несколько оригиналов, устройствами автоматической подачи слайдов.

Максимальное оптическое разрешение хороших слайд-сканеров превышает 2000 ppi, цветное сканирование обычно производится за один проход, хотя есть и трехпроходные модели. Чтобы работать с прозрачными оригиналами, слайд-сканеры должны обладать динамическим диапазоном не меньше 3.0D, а для негативов - до 3.6D. Часто слайд-сканеры, обеспечивая на выходе 24-битный цвет, считывают изображения с 30-и 36-битной глубиной. Это просто необходимо, учитывая большую оптическую плотность прозрачных оригиналов. Поскольку чувствительность ПЗС хуже в самых темных и самых светлых участках, более высокая внутренняя разрядность также не является

Page 76: комплект лекций

избыточной. Отсекается же в основном шум, вносимый электрическими цепями АЦП и самими фоточувствительными элементами.

В некоторых сканерах предусмотрен APS-адаптер, который позволяет производить сканирование пленки формата APS. Кроме того, имеется функция предварительного просмотра APS-пленок, которая позволяет пользователям просмотреть и выбрать необходимые кадры перед сканированием. Есть сканеры, в которых реализована функция подавления царапин и других механических дефектов пленочных оригиналов.1.4.5. Барабанные сканеры

Наивысшее качество сканирования и по сей день обеспечивается лишь дорогими барабанными сканерами, рассчитанными на ввод изображений как с прозрачных, так и с

непрозрачных оригиналов. Эти аппараты по принципу работы радикально отличаются от планшетных сканеров. В барабанном сканере оригинал прикрепляется (монтируется) на барабан, при считывании вращающийся с высокой скоростью. Внутри барабана расположен точечный источник света, перемещаемый точно вдоль оси барабана. За счет сочетания этих двух движений и формируется полное изображение. Размер сканируемого оригинала определяется площадью барабана сканера: чем больше диаметр барабана, тем больший оригинал на него можно смонтировать. Для считывания информации в барабанных сканерах применяются не ПЗС, а вакуумные фотоумножительные трубки (их еще называют фотоэлектронными умножителями, сокращенно ФЭУ). Они обладают большей чувствительностью. Отраженный от оригинала (или прошедший через него) световой поток направляется оптической системой, состоящей из нескольких зеркал, на три ФЭУ, которые отвечают за красный, зеленый и синий цвета. С выхода ФЭУ электрический сигнал попадает на АЦП и дальше обрабатывается электроникой сканера (рис.3).

У барабанных сканеров значительно более сложная, чем у планшетных, оптическая система. Для получения максимальных разрешений (у лучших моделей они достигают 8-11 тыс. ppi) требуется очень точная фокусировка луча. Кроме того, и сам луч должен быть тонким, для чего источник света снабжается колесом с апертурами (отверстиями диаметром до 6 микрон). В зависимости от необходимого разрешения многие модели предлагают на выбор от 2 до 22 апертур. Качество изображения зависит и от правильности выбора апертуры, и от точности фокусировки луча, и от стабильности вращения барабана.

Обладая высоким разрешением, барабанные сканеры являются, Рис.3.Схема работы барабанного сканера единственными устройствами обеспечивающими считывание любых оригиналов. У большинства выпускаемых сегодня барабанныхсканеров динамический диапазон составляет от 3.6D до 4.0D, благодаря чему эти устройства легко справляются с самыми оптически плотными негативами, не говоря уже о слайдах и непрозрачных оригиналах.

Для оцифровки применяются АЦП с разрешением не меньше 10 бит, то есть барабанные сканеры считывают 30-, 36- и даже 48- битный цвет. Поскольку ФЭУ обладают лучшей по сравнению с ПЗС чувствительностью в темных и

Page 77: комплект лекций

светлых зонах, а также отличаются меньшим уровнем собственных шумов (в этом вакуумные приборы превосходят полупроводники), в поступающем на вход АЦП сигнале содержится больше информации. Да и сами АЦП, применяемые в барабанных сканерах, отличаются меньшим уровнем шумов и повышенной чувствительностью. На выходе барабанный сканер для совместимости с программным обеспечением компьютеров урезает глубину цвета до 24 бит, но все равно полученная на нем картинка даже на глаз заметно превосходит снятую с тем же цветовым разрешением на планшетном сканере.Лекция№16 1.4.6. Интерфейсы и программное обеспечение сканеров

При сканировании в компьютер поступают очень большие объемы цифровой информации. Фотография размером 10*15 сантиметров, снятая при разрешении 600 ppi с глубиной цвета 24 бит, "выливается" в 23.3 мегабайта. Передача таких объемов данных занимает немало времени. Для подключения к компьютеру сегодня используются интерфейсы SCSI, USB и параллельный (LPT/EPP/ECP и др.). Первый обладает наибольшей пропускной способностью и используется в профессиональных и достаточно дорогих сканерах. Чаще всего сканер комплектуется платой SCSI-контроллера, которую придется установить в компьютер самостоятельно. Как и драйверы к ней. Опыт показывает, что именно драйверы часто становятся причиной, по которой сканер отказывается работать с другими SCSI-контроллерами, даже более высокого качества.

Самые дешевые модели подключаются к параллельному (принтерному) порту компьютера, поддерживающему двунаправленный обмен данными. В этом случае принтер обычно подключают к сканеру, у которого имеется второй LPT (или другой)- порт. Однако не всегда принтер может работать в такой конфигурации. В любом случае одновременно сканировать и печатать у вас не получится из-за перегрузки интерфейса. Да и при сканировании с разрешением 300 ppi и выше немало времени будет уходить именно на передачу данных. Интерфейс USB обладает значительно большей пропускной способностью по сравнению с LPT. Кроме того, шина USB специально рассчитана на подключение большого числа самых разных периферийных устройств и потому конфликты между ними маловероятны. USB также обеспечивает автоматическое обнаружение нового устройства и установку драйверов для него. Программное обеспечение к сканеру включает драйверы устройства и модуль TWAIN, обеспечивающийсовместимость сканера с графическими приложениями. Эти компоненты обычно устанавливаются вместе. Иногда имеется программа для автономного (не из графического редактора) сканирования. Она полезна для профессиональных работ, когда сначала сканируется пачка изображений, а их обработка выполняется потом или вообще на других компьютерах.1.4.7. Форматы представления графической информации в ПК

Существуют два формата представления графической информации:• растровый;• векторный.В растровом формате изображение запоминается в файле в виде

мозаичного набора множества точек, соответствующих пикселам отображения этого изображения на экране дисплея. Файл, создаваемый сканером, в памяти компьютера имеет растровый формат (так называемая битовая карта — bitmap). Редактировать этот файл средствами стандартных текстовых и графических редакторов не представляется возможным, ибо они не работают с мозаичным представлением информации.

В векторном формате информация идентифицируется характеристиками шрифтов, кодами символов, абзацев и т. п. Стандартные текстовые процессоры предназначены для работы

именно с таким представлением информации.

Page 78: комплект лекций

Фундаментальное отличие векторных форматов от растровых можно показать на таком примере: в векторном формате окружность идентифицируется радиусом, координатами своего центра, толщиной и типом линии; в растровом формате хранятся просто последовательные ряды точек, геометрически формирующих окружность.

Следует также иметь в виду, что битовая карта требует очень большого объема памяти для своего хранения. Для сокращения объема памяти, необходимой для хранения битовых карт, используются различные способы сжатия информации. Наиболее распространенный алгоритм растрового уплотнения CCITT Group 4 дает коэффициент сжатия информации до 40:1 (в зависимости от содержимого данных). Другие используемые форматы сжатия: Group 3, CTIFF (Compressed Tagged Image File Format), MPEG, CALS, RLE, GIF и т. д. (файлы имеют соответствующие указанным аббревиатурам расширения).

Форматы без сжатия: Uncompressed TIFF, BMP и др.Сканер используется обычно совместно с программами распознавания

образов — OCR (Optical Character Recognition). Система OCR распознает считанные сканером с документа битовые (мозаичные) контуры символов и кодирует их ASCII-кодами, переводя в удобный для текстовых редакторов формат. Одна из лучших OCR — FineReader 6.0 — распознает тексты на десятках языков (в том числе языках программирования Basic, C++ и т. д), использует большое число электронных словарей, при распознавании проверяет орфографию, готовит тексты к публикации в Интернете и т. д.

В последние годы появились интеллектуальные программы распознавания образов типа Omnifont, которые опознают символы не по точкам, а по характерной для каждого из них индивидуальной топологии. При наличии системы распознавания образов текст записывается в память ПК уже не в виде битовой карты, а в виде кодов, и его можно редактировать обычными текстовыми редакторами.2. УСТРОЙСТВА ВЫВОДА ИНФОРМАЦИИ2.1. ПРИНТЕРЫ

Принтеры (печатающие устройства) – это устройства вывода данных из компьютера, преобразующие ASCII-коды и битовые последовательности в соответствующие им символы и фиксирующие их на бумаге.

Принтеры являются наиболее развитой группой ВУ ПК, насчитывающей до 1000 различных модификаций. Принтеры различаются между собой по:

• цветности (черно-белые и цветные);• способу формирования символов (знакопечатающие и

знакосинтезирующие);• принципу действия (матричные, струйные, лазерные, термические и

др.);• способу печати (ударные, безударные) и формирования строк

(последовательные, параллельные);• ширине каретки (с широкой 375-450 мм и узкой 250 мм кареткой);• длине печатной строки (80 и 132-136 символов);• набору символов;• скорости печати;• разрешающей способности и т. д.Внутри ряда групп можно выделить по несколько разновидностей

принтеров, например, широко применяемые матричные знакосинтезирующие принтеры по принципу действия могут быть ударными, термографическими, электрографическими, электростатическими, магнитографическими и т. д.

Печать у принтеров может быть посимвольная, построчная, постраничная. Скорость печати варьируется от 10-300 знаков/с (ударные принтеры) до 500-1000 знаков/с и даже до 20 страниц в минуту (безударные лазерные принтеры); разрешающая способность – от 3-5

Page 79: комплект лекций

точек на мм до 30-40 точек на мм (лазерные принтеры).Принтеры могут работать в двух режимах — текстовом и графическом:• в текстовом режиме на принтер посылаются коды символов, которые

следует распечатать, причем контуры символов выбираются из знакогенератора принтера;

• в графическом режиме на принтер пересылаются коды, определяющие последовательность и местоположение точек изображения. Для текстовой печати в общем случае имеются следующие режимы, характеризующиеся различным качеством печати:

• режим черновой печати (Draft);• режим печати, близкий к типографскому (NLQ — Near Letter Quality);• режим с типографским качеством печати (LQ — Letter Quality);• сверхкачественный режим (SLQ — Super Letter Quality).В текстовом режиме принтеры обычно поддерживают несколько

шрифтов и их гарнитур, среди которых получили широкое распространение roman (мелкий шрифт пишущей машинки), italic (прямой курсив), bold-face (полужирный) expanded (растянутый), elite (полусжатый), condenced (сжатый), pica (пика или цицеро — прямой шрифт с кеглем 12 пунктов), courier (курьер), san-serif (рубленый шрифт сансериф), serif (сериф), prestige elite (престиж-элита) и пропорциональный шрифт (ширина поля, отводимого под символ, зависит от ширины символа).

Основными характеристиками принтеров являются:• разрешающая способность или просто разрешение. Разрешение при

печати чаще всего измеряется числом элементарных точек (dots), которые размещаются на одном дюйме (dpi — dots per inch, inch — дюйм, примерно 2,54 см) или на одном см (точек на см бумаги). Например, разрешение 1440 dpi означает, что на длине одного дюйма бумаги размещается 1440 точек. Чем больше разрешение, тем точнее воспроизводятся детали изображения. Однако при этом соответственно возрастает и время печати (исключением являются лазерные принтеры);

• скорость печати. Единицей измерения скорость печати информации служит количество символов в секунду, cps (characters per second), а при листовой печати –показатель страниц в минуту, ррт (pages per minute). Как правило, ррт указывается для страниц формата А4.Лекция№17 2.1.1. Лазерные принтеры

Толчком к созданию первых лазерных принтеров послужило появление новой технологии, разработанной фирмой Canon. Специалистами этой фирмы, специализирующейся на разработке копировальной техники, был создан механизм печати LBP-CX. Фирма Hewlett-Packard в сотрудничестве с Canon приступила к разработке контроллеров, обеспечивающих совместимость механизма печати с компьютерными системами PC и UNIX. Принтер HP LaserJet впервые был представлен в начале 80-х годов. Первоначально конкурируя с лепестковыми и матричными принтерами, лазерный принтер быстро завоевал популярность во всем мире. Другие компании-разработчики копировальной техники вскоре последовали примеру фирмы Canon и приступили к исследованиям в области создания лазерных принтеров. Toshiba, Ricoh и некоторые другие менее известные компании тоже были вовлечены в этот процесс. Однако успехи фирмы Canon в области создания высокоскоростных механизмов печати и сотрудничество с Hewlett-Packard позволили им добиться поставленной цели. В результате на рынке лазерных принтеров модели LaserJet вплоть до 1987-88 годов занимали доминирующее положение.

Другим важным событием явилось появление цветных лазерных принтеров. Фирмы XEROX и Hewlett-Packard представили новое поколение принтеров, которые использовали язык описания страниц PostScript Level 2,

Page 80: комплект лекций

поддерживающий цветное представление изображения и позволяющий повысить как производительность печати,

так и точность цветопередачи. Лазерные принтеры формируют изображение

путем позиционирования точек на бумаге (растровый метод). Первоначально страница формируется в памяти принтера и лишь затем передается в механизм печати. Растровое представление символов и графических образов производится под управлением контроллера принтера. Каждый образ формируется путем соответствующего расположения точек в ячейках сетки или матрицы (рис. 4).

Лазерные принтеры, получившие наибольшее распространение, используют технологию

фотокопирования, называемую еще электрофотографической, которая заключается в точном позиционировании точки на странице посредством изменения электрического заряда на специальной пленке из фотопроводящего полупроводника. Подобная технология печати применяется в копировальных аппаратах. Важнейшим конструктивным формирования образа (рис.5.) элементом лазерного принтера является вращающийся фотобарабан, с помощью которого производится перенос изображения на бумагу. Фотобарабан представляет собой металлический цилиндр, покрытый тонкой пленкой из фотопроводящего полупроводника (обычно – оксид цинка). По поверхности барабана равномерно распределяется статический заряд. С помощью тонкой проволоки или сетки, называемой коронирующим проводом, на этот провод подается высокое напряжение, вызывающее возникновение вокруг него светящейся ионизированной области, называемой короной.

Лазер, управляемый микроконтроллером, генерирует тонкий световой луч, отражающийся от вращающегося зеркала. Этот луч, попадая на фотобарабан, засвечивает на нем элементарные площадки (точки), и в результате фотоэлектрического эффекта в этих точках изменяется электрический заряд. Для некоторых типов принтеров потенциал поверхности барабана уменьшается от 900 до 200 В. Таким образом, на фотобарабане возникает копия изображения в виде потенциального рельефа. На следующем рабочем шаге с помощью другого барабана, называемого девелопером (developer), на фотобарабан наносится тонер - мельчайшая красящая пыль. Под действием статического заряда мелкие частицы тонера легко притягиваются к поверхности барабана в точках, подвергшихся экспозиции, и формируют на нем изображение (рис. 6).

Page 81: комплект лекций

Лист бумаги из подающего лотка с помощью системы валиков перемещается к барабану. Затем листу сообщается статический заряд, противоположный по знаку заряду засвеченных точек на барабане. При соприкосновении бумаги с барабаном частички тонера с барабана переносятся (притягиваются) на бумагу.

Для фиксации тонера на бумаге листу вновь сообщается заряд и он пропускается между двумя роликами, нагревающими его до температуры около 180° - 200°С. После собственно процесса печати барабан полностью разряжается, очищается от прилипших частиц тонера и готов для нового цикла печати. Описанная последовательность действий происходит очень быстро и обеспечивает высокое качество печати.

При печати на цветном лазерном принтере используются две технологии. В соответствии с первой, широко используемой до недавнего времени, на фотобарабане последовательно для каждого отдельного цвета (Cyan, Magenta, Yellow, Black - CMYB) формировалось соответствующее изображение, и лист печатался за четыре прохода, что, естественно, сказывалось на скорости и качестве печати.

В других моделях в результате четырех последовательных прогонов на фотобарабан наносится тонер каждого из четырех цветов. Затем при соприкосновении бумаги с барабаном на нее переносятся все четыре краски одновременно, образуя нужные сочетания цветов на отпечатке. В результате достигается более ровная передача цветовых оттенков, почти такая же, как при печати на цветных принтерах с термопереносом красителя.

Принтеры этого класса оборудованы большим объемом памяти, процессором и, как правило, собственным винчестером. На винчестере содержатся разнообразные шрифты и специальные программы, которые

Page 82: комплект лекций

управляют работой, контролируют состояние и оптимизируют производительность принтера. Цветные лазерные принтеры имеют довольно крупные габариты и большую массу. Технология процесса цветной лазерной печати весьма сложна и цены на цветные лазерные принтеры еще очень высоки.

Достоинства лазерных принтеров:• высокая скорость печати (от 4 до 40 и выше страниц в минуту);• скорость печати не зависит от разрешения;• высокое качество печати до 2880 dpi (но 700 dpi лазерного цветного

принтера сравнимы с 1400 dpi струйного);• низкая себестоимость копии (на втором месте после матричных

принтеров);• бесшумность.Недостатки лазерных принтеров:• высокая цена принтеров, особенно цветных;• большое потребление электроэнергии.

2.1.2. Светодиодные принтерыСветодиодную технологию используют только фирмы OKI и Panasonic. В

светодиодных принтерах — LED-принтерах (LED — Light Emitting Diode) — роль источника лазерного луча выполняет светодиодная линейка. Она содержит более 5 000 отдельных светодиодов (по одному на каждую точку на поверхности барабана). Светодиоды точно выровнены с целью обеспечения остро сфокусированных пучков света на поверхности печатного барабана. При вращении барабана происходит "импульсное" включение и выключение светодиодов, и на поверхности барабана появляется изображение.

Технология светодиодной печати ("LED-технология") означает следующее:

• большая надежность и меньшая стоимость эксплуатации по сравнению с лазерной технологией вследствие меньшего количества движущихся частей;

• более высокое качество печати, которое не ухудшается со временем;• черные сплошные изображения высокого качества;• хороший тональный контраст при печати различных оттенков серого

цвета;• лучшее позиционирование и более четкая форма точек;• отсутствие разброса и искажений краев символов.Светодиодная технология OKI имеет свои преимущества и для цветной

печати:• четкость и высокое качество печати;• высокий уровень надежности за счет уменьшенного количества

движущихся частей;• компактная конструкция, занимающая меньшее рабочее пространство;• более надежная система по сравнению с чувствительными лазерными

принтерами.Использование этой технологии для цветной печати обеспечивает

дополнительные преимущества. Технология печати за один проход, разработанная корпорацией OKI, заключается в использовании четырех печатающих установок - по одной для каждого цвета (голубой, пурпурный, желтый и черный). Они расположены в один ряд над транспортером подачи бумаги.

Транспортировка каждого листа бумаги осуществляется одним проходом через четыре печатающие установки, которые одновременно проявляют составные изображения на соответствующих печатных барабанах с помощью четырех светодиодных печатающих головок. Тонер переносится на бумагу по мере того, как транспортер проводит каждую страницу через четыре печатных

Page 83: комплект лекций

барабана. После этого бумага проходит через механизм термического закрепления для получения окончательного цветного изображения.2.1.3. Матричные принтеры

В матричных принтерах печать точек осуществляется тонкими иглами, ударяющими бумагу через красящую ленту. Каждая игла управляется собственным электромагнитом. Печатающая головка перемещается в горизонтальном направлении листа, и знаки в строке печатаются последовательно. Многие принтеры выполняют печать как при прямом, так и при обратном ходе. Количество иголок в печатающей головке определяет качество печати. Недорогие принтеры – это 9-игольчатые. Матрица символов в таких принтерах имеет размерность 7x9 или 9x9 точек. Более совершенные матричные принтеры оснащены

18 и даже 24 иглами.Качество печати матричных принтеров определяется также

возможностью вывода точек в процессе печати с частичным перекрытием за несколько проходов печатающей головки.

Благодаря горизонтальному движению головки принтера и активизации отдельных иголок напечатанный знак образует "матрицу", причем отдельные буквы, цифры и знаки записаны в памяти принтера (ПЗУ) в виде бинарных кодов. Поэтому головка принтера "знает", какие иголки и в каких комбинациях необходимо активизировать, чтобы, например, создать за 10 шагов головки букву "К" (см. рис. 7).

В принтерах с различным числом иголок разные режимы печати реализуются по-разному. В 9-игольчатых принтерах печать в режиме Draft выполняется за один проход печатающей головки по строке. Это самый быстрый режим печати, но зато он характеризуется самым низким качеством. Режим NLQ реализуется за два прохода: после первого прохода головки бумага протягивается на расстояние, соответствующее половинному размеру точки; затем совершается второй проход с частичным перекрытием точек. При этом скорость печати уменьшается вдвое.

Переключение режимов работы матричных принтеров и смена шрифтов могут осуществляться как программно, так и аппаратно посредством нажатия имеющихся на устройствах клавиш и/или соответствующей установки переключателей.

Быстродействие матричных принтеров при печати текста в режиме Draft аходится в пределах от 100 до 500 cps, что соответствует примерно двум страницам в минуту (с учетом смены листов). У специальных, дорогих принтеров скорость доходит и до 1000 cps.

Разрешающая способность до 360 х 360 dpi (первое число по вертикали, второе — по горизонтали).

Достоинства матричных принтеров:

Page 84: комплект лекций

• низкая стоимость как самого принтера, так и расходных материалов для него;

• возможность одновременной печати нескольких копий.Недостатки: невысокие качество и скорость печати, а также шум при

печати.Лекция№18 2.1.4. Струйные принтеры

Это самые распространенные в настоящее время принтеры. В струйных принтерах для формирования изображения используются специальные сопла, через которые на бумагу подаются чернила. Тонкие, как волос, сопла находятся на головке принтера, где установлен резервуар с жидкими чернилами, которые, как микрочастицы, переносятся через сопла на материал носителя. Число сопел зависит от модели принтера и его изготовителя. Обычно их бывает от 48 до 128, однако, некоторые последние модели имеют гораздо большее число сопел.

Хранение чернил в струйных принтерах осуществляется двумя методами. В первом методе головка принтера является составной частью патрона с чернилами. При этом замена патрона с чернилами одновременно связана с заменой головки. Во втором методе для хранения чернил используется отдельный сменный резервуар, который через систему капилляров обеспечивает чернилами головку принтера. Именно такой метод (основанный на использовании съемных резервуаров для чернил) реализует в своих струйных принтерах фирма Canon.

Фирмы-изготовители реализуют различные способы нанесения чернил на бумагу: пьезоэлектрический, пузырьково-струйный, метод drop-on-demand.2.1.4.1. Пьезоэлектричесий метод

Для реализации этого метода в каждое сопло установлен плоский пьезо- кристалл (рис.8), связанный с диафрагмой. Как известно, под воздействием электрического поля происходит деформация пьезоэлемента. При печати находящийся в трубке пьезоэлемент, сжимая и разжимая трубку, наполняет капиллярную систему чернилами. Чернила, которые отжимаются назад, перетекают обратно в резервуар, а чернила, которые "выдавились" наружу, оставляют на бумаге точку. Подобный метод . нанесения чернил используется в струйных принтерах, выпускаемых компанией Epson.

2.1.4.2. Пузырьково-струйный методВторой способ базируется на термическом методе и больше известен под

названием Bubble]et (инжектируемые пузырьки) (рис.9). При использовании этого метода каждое сопло оборудовано нагревательным элементом, который при пропускании через него тока за несколько микросекунд нагревается до температуры около 500°С. Возникающие при резком нагревании газовые пузыри (bubbles) стараются вытолкнуть через выходное отверстие сопла необходимую порцию (каплю) жидких чернил, которые переносятся на бумагу. При отключении тока нагревательный элемент остывает, паровой пузырь

Page 85: комплект лекций

уменьшается и через входное отверстие поступает новая порция чернил. Подобную технологию использует фирма Canon.

Благодаря тому, что в механизмах печати, реализованных с использованием пузырьково-струйного метода, меньше конструктивных элементов, такие принтеры надежней в работе и срок их эксплуатации более продолжителен.

Кроме того, использование этой технологии позволяет добиться наиболее высокой разрешающей способности принтеров. Обеспечивая высокое качество при прорисовке линий, данный метод имеет недостаток при печати областей сплошного заполнения: они получаются несколько расплывчатыми. Применение пузырьково-струйного метода предпочтительно при печати графиков, гистограмм и т.п., тогда как печать полутоновых графических изображений получается более качественной при использовании метода drop-on-demand.

2.1.4.3. Метод drop-on-demandТретий метод разработан фирмой Hewlett-Packard и называется методом

drop-on-demand. Так же как в пузырьково-струйном методе, здесь для подачи чернил из резервуара на бумагу используется нагревательный элемент. Однако при этом дополнительно используется специальный механизм (рис. 10).

Технология drop-on-demand обеспечивает наиболее быстрый впрыск чернил, что позволяет существенно повысить качество и скорость печати. Цветовое представление изображения в этом случае более контрастно.

Основные достоинства струйных принтеров:• высокое качество печати, для принтеров с большим количеством сопел

- до720 х 1440 dpi (у лучших принтеров до 1200 х 2880 dpi - величина,характерная для лазерных принтеров);

• высокая скорость печати — до 10 ррm;• использование обычной бумаги, хотя и хорошей плотности (от 60 до

135 г/м2),чтобы не растекались чернила;

Page 86: комплект лекций

• бесшумность работы.Основными недостатками струйных принтеров являются:• опасность засыхания чернил внутри сопла, что иногда приводит к

необходимости замены печатающей головки;• высокая стоимость расходных материалов, в частности, баллончика

для чернил, особенно если он объединен с печатающей головкой и заменяется совместно с ней (такая

конструкция характерна для термоструйных головок).2.1.5. Термопринтеры

Термопринтеры относятся также к группе матричных принтеров. В них используется термоматрица и специальная термобумага или термокопирка. Принцип действия термопринтера весьма прост. Печатающий элемент представляет собой панель с нагреваемыми элементами – термоматрицу. В зависимости от подаваемого изображения нагреваются те или иные элементы, которые заставляют темнеть специальную термобумагу в месте нагрева. Достоинством данного типа принтеров является то, что им не нужны никакие расходные материалы, кроме специальной бумаги. Недостатки: необходимость использования дорогостоящей специальной бумаги (или копирки); невысокая скорость печати, недолговечность отпечатанных документов (темнеют со временем).2.1.6. Твердочернильные принтеры

Твердочернильная технология разработана фирмой Tektronix, являющейся частью компании Xerox. Красители, используемые в твердочернильном принтере, представляют собой твердые кубики цветов CMYK. Добавлять их можно даже во время печати. Кубики каждого цвета имеют собственное отделение. Чернила расплавляются и подаются в широкую печатающую головку. Головка создает изображение на алюминиевом барабане, с которого оно полностью переносится на бумагу. Для того чтобы чернила не застывали на барабане, их подогревают. Ширина печатающей головки равна ширине листа. Наиболее интересной в данном принтере является печатающая головка, представляющая собой блок сопел (по 112 на каждый цвет), снабженных пьезоэлементами. При срабатывании пьезоэлемента капля расплавленных чернил попадает на барабан. Скорость печати в цвете доходит до 14 ррm.2.2. ПЛОТТЕРЫ

Плоттеры, они же графопостроители, предназначены для вывода чертежей. Плоттеры являются векторными устройствами (по крайней мере, по входным данным). В плоттерах первых поколений пишущее средство перемещалось на бумаге по траектории, заданной

отображаемой в данный момент фигурой. Плоттер способен рисовать графические примитивы: точка, отрезок прямой, дуга, эллипс (окружность как его разновидность), прямоугольник. Поток данных, получаемый плоттером, содержит команды рисования этих примитивов и параметры. Многие плоттеры «понимают» и команды написания текста: каждую букву они внутренне интерпретируют как набор отрезков и дуг; для этого они должны иметь соответствующие таблицы знакогенераторов. Плоттеры позволяют выводить изображения на листы разного формата — от А4 для настольных устройств до А1 и АО у крупных напольных устройств. Для принтеров такие большие размеры недоступны. По способу обеспечения движения пишущего средства относительного бумаги различают планшетные и рулонные плоттеры.

В планшетном плоттере лист бумаги укладывается на плоский стол и неподвижно закрепляется. На небольших устройствах лист по краям прижимается металлическими полосками к магнитному столу. На устройствах большого формата листы иногда присасываются воздухом через специальные отверстия в столе. Над столом в одном

Page 87: комплект лекций

направлении перемещается каретка, вдоль которой перемещается пишущая головка. Вся эта конструкция, напоминающая мостовой кран, приводится в движения двумя шаговыми двигателями, обеспечивающими перемещение пишущей головки по всей поверхности листа. Точность позиционирования измеряется десятыми и даже сотыми долями миллиметра. Головка перьевого плоттера снабжена пишущим пером. На головке имеется соленоид, который прижимает перо к бумаге в нужных местах. У струйного плоттера

используется головка такого же типа, как и у струйного принтера (черно-белая или цветная). Приводы позиционирования и пишущего узла управляются встроенным микроконтроллером в соответствии с принимаемым потоком команд.

В рулонном плоттере имеется горизонтальный барабан, на который кладется лист бумаги и прижимается к барабану валиками. Края листа свободно свисают вниз (это напольные конструкции). Пишущая головка перемещается по направляющей только вдоль оси

барабана. Вращение барабана (в обоих направлениях) и перемещение головки совместно обеспечивают взаимно перпендикулярные перемещения пишущего средства относительно бумаги. Рулонные плоттеры позволяют выводить чертежи крупного формата, не занимая

при этом огромной площади (как планшетные). Здесь жестко ограничена лишь ширина рулона (А1 или А0). Есть устройства, у которых края листа не свисают, а наматываются на специальные барабаны — такие плоттеры могут выводить полотна длиной в несколько метров. Однако в рулонном плоттере при повторных прогонах довольно трудно обеспечивать точное позиционирования бумаги, которая катается по барабану вперед-назад во время вывода чертежа огромное количество раз. Из-за этого требуется очень высокоточная (а потому и дорогая) механика.

Современные струйные рулонные плоттеры сделаны несколько иначе. По сути дела они являются растровыми струйными принтерами, головка которых имеет ряд (и не один) сопел. При выводе бумага в них по барабану прокатывается всего один раз, в одном направлении, и за этот проход растровым способом выводится все изображение. Растеризация изображения производится во внутреннем ОЗУ огромного размера, но на данном этапе это оказывается уже проще, чем делать сложную механику.

Перьевой плоттер способен выбирать перья (по цвету чернил, типу и толщине) из имеющихся у него в распоряжении. Перья бывают разные — типа шариковой ручки (ball tip pen), фломастера (fiber tip pen) или керамического пера (keramic tip pen) — каждый тип имеет свою нишу применения. Для выбора пера используют разные механизмы. В револьверном механизме перья устанавливаются в ячейки барабана, размещенного у края рабочего стола плоттера.

Отдельный привод поворачивает барабан на нужный угол, предоставляя для доступа требуемую ячейку. Головка подводится к барабану и определенным движением вынимает из него перо (предварительно поставив прежнее в свободную ячейку). У других плоттеров перья устанавливаются в ряд держателей, и головка для обмена подводится к одному из них.

Внешний интерфейс плоттера — параллельный или последовательный. В отличие от принтеров для плоттеров интерфейс не является узким местом — передача графических команд даже по последовательному интерфейсу происходит гораздо быстрее их механического исполнения. Параллельный интерфейс плоттера ничем не отличается от принтерного. С последовательным интерфейсом на некоторых старых плоттерах бывают сложности. Некоторые плоттеры с последовательным интерфейсом используют программное управление потоком, но посылают не стандартные символы XON/XOFF, а слова

Page 88: комплект лекций

(ASCII-строки). Такой протокол обмена на уровне системы практически не поддерживается (эти плоттеры непосредственно «разговаривают» с прикладной программой). Это осложняет подключение плоттера к компьютерной сети.

У плоттеров имеется ряд специфических параметров:• формат бумаги (максимальный и минимальный размеры листа);• линейная скорость движения пера при рисовании и холостых

перемещениях;• максимальное ускорение головки;• точность позиционирования;• повторяемость позиционирования (способность многократно попадать

в заданную точку после длительных «путешествий»);• количество цветов;• поддерживаемые языки графических команд.Кроме рисующих плоттеров существуют и режущие плоттеры (cutter), в

них вместо пишущей имеется режущая головка с механическим или лазерным резаком.