Arvuti riistvara matemaatilised alused

Kahendsüsteem

Digitaalseadmetes teostatavate arvutuste ja muu infotöötluse kiirus, täpsus ja arusaadavus sõltub suuresti seadmes kasutatavast arvutussüsteemist. Digitaaltehnikas domineerib kahendsüsteem nii iseseisva süsteemina kui ka teiste arvusüsteemide realiseerimise vahendina ja seda järgmistel põhjustel: Füüsikalise realiseerimise lihtsustehete sooritamise põhimõtteline lihtsusfunktsionaalne ühtsus Boole’i algebraga, mis on loogikalülituste peamine matemaatiline alus. Kahendsüsteem kuulub positsiooniliste arvusüsteemide hulka nagu kümnendsüsteemgi. Kahendarvu kohta nimetatakse bitiks. Vasakpoolseim koht on kõrgeim bitt ja parempoolseim madalaim bitt.

Boole funktsioonid ja nende esitus

Digitaalseadmete realiseerimise matemaatiliseks aluseks on valdavalt kahendloogika ja kahendfunktsioonid. Kahendfunktsioone saab esitada olekutabelite abil, kus 2n (n- argumentide väärtuste võimalike kombinatsioonide arv) reas on antud kõikvõimalikud argumentide väärtused kombinatsioonid ja tabeli paremas veerus igale argumendikombinatsioonile vastav funktsiooni väärtus.

AND (JA, loogiline korrutamine, konjuktsioon)OR (VÕI, loogiline liitmine, disjunktsioon)NOT (EI, loogiline eitus, inversioon)

Teisendusvalemid:

Diskreetne aeg

  Mikroskeemide valmistamise tehnoloogiad

Esimesed digitaalsetest integraallülitustes kasutati lülituselementidena bipolaartransistore, sest nende valmistamise tehnoloogia oli rohkem arenenud. Hiljem aga osutus, et suure tihedusega lülituste tarbeks on unipolaarne e. väljatransistor palju sobivam. Viimaste valmistamine nõuab vähem tehnoloogilisi operatsioone ja vähem pinda ühe lülituselemendi kohta. Seetõttu valmistati esimesed mikroprotsessorid eranditult väljatransistoride baasil.Vaatamata oma tehnoloogilistele eelistele jäävad väljatransistorid bipolaarsetele siiski alla töökiiruse poolest. See omakorda stimuleeris viimaste forsseeritud arendamist ning selline konkureeriv areng on kestnud tänapäevani. Tulemusena ei ole kumbagi tüüpi suudetud välja tõrjuda, küll on aga tekkinud nende erinevad rakendusalad. Bipolaartransistoridel valmistatakse suure töökiirusega mikroprotsessorid, mälud ja mitmesugused abilülitused. Nende puuduseks on väiksem lülituselementide arv ühel kristallil ning seega ka tagasihoidlikumad funktsionaalsed võimalused. Teiseks oluliseks puuduseks on mitu suurusjärku suurem võimsustarve. Väljatransistoridel on ehitatud suurem osa mikroprotsessoreid ja mäluelemente, mis nõuavad suurt elementide tihedust ning vähem võimsust. Puuduseks on oluliselt väiksem töökiirus.Npn-bipolaartransistor: Räni-aluskristalli tekitatakse difusiooni teel n- ja p-piirkonnad, mis moodustavad transistori. Pärast difusiooniprotsesse kristalli pind oksüdeeritakse, mis annab

1

väga hea SiO2-isoleerkihi. Kontaktpindade moodustamiseks jäetakse isoleerkihti maski abil sobivad avad. Ühendusjuhtmed moodustatakse alumiiniumist samuti fotolitograafia abil.Bipolaartransistore kasutatakse põhiliselt kahte tüüpi lülituselementide valmistamiseks. Esimesteks on TTL-tüüpi loogikaelemendid (transistor-transistor-loogika), mis on väga levinud väikestes ja keskmistes integraallülitustes. Maksimaalse võimaliku töökiiruse saavutamiseks tuleb kasutada transistore emittersidestuses, mis annab teise võimaliku loogikaelemendi tüübi ECL (emittersidestusloogika, Emitter-Coupled Logic).Töökiiruse suurendamiseks kasutatakse tihti ka kollektori ja baasi vahele lülitatavaid Schottky dioode, mis välistavad transistori mineku küllastusrežiimi. Loomulikult nõuavad need aga lisaruumi, suurendades elementide mahtu. Suureks sammuks edasi elemenditiheduse tõstmisel (paraku küll töökiiruse arvel) oli nn. IIL-tehnoloogia (Integrated injection logic). Selle kohaselt moodustatakse ühe kompleksina kaks transistori, mis toimivad ühise, voolu ümberlülituva elemendina. Taoline element võimaldab hõlpsasti moodustada loogikalülitusi ning TTL-tüübiga võrreldes saavutatakse umbes 100 korda suurem tihedus. Märkimisväärne on IIL-elementide väike võimsustarve, sest tööpinge on madal; selle määrab pingelang avatud siirdel. Elemendid säilitavad oma töövõime kuni üliväikeste pingeteni, selle juures aga väheneb nende töökiirus mitu suurusjärku.Et väljatransistore nimetatakse tihti MOS-transistorideks (metall-oksiid pooljuht), kannab ka valmistamisviis nime MOS (Metal-oxyde-semiconductor). MOS transistorid võivad erineda kanalit juhtivustüübilt. Seejuures on p-kanaliga transistorid lihtsamad valmistada ning seetõttu kasutati neid esimestes mikroprotsessorites valdavalt. Nende töökiirus on aga n-kanaliga transistoridega võrreldes oluliselt väiksem, sest aukude liikuvus on tunduvalt madalam elektronide liikuvusest. Seetõttu on tänapäeval p-kanaliga MOP transistoridest praktiliselt loobutud n-kanaliga seadiste kasuks.Oluliselt õnnestus loogikaelementide voolutarvet vähendada, kui võeti tarvitusele komplementaarlülitused. Siin on loogikaelemendil koormustakistuseks teine, vastupidise juhtivustüübiga transistor. Tulemusena saadakse element, mis jõudeseisus üldse voolu ei tarbi (avatud on alati ainult üks transistoridest). Energiat kulub ainult parasiitmahtuvuste ümberlaadimiseks elemendi ümberlülituse hetkel. Komplementaarlülituse (CMOS) äärmiselt väike voolutarve võimaldab neid väga edukalt kasutada näiteks käekellades. Puuduseks on asjaolu, et transistore läheb vaja kaks korda rohkem, ka on töökiirus väiksem.

Enamkasutatavaid kombinatsioonskeeme

välistav või (eXclusive-OR)

Kui kaks signaali on võrdsed annab XOR element väljundsignaaliks 0 ja 1, siis kui signaalid ei ole võrdsed. Kasutatakse komparaatoris võrdlemaks kahte sisendsõna.

multiplexor (Multiplexers)

siinide e. magistraalide kommuteerimiseks kasutatakse multipleksorit. Multipleksor võimaldab valida ühe mitmest siinist ja ühendada selle oma väljund siiniga. Sõltuvalt dekoodri sisendkoodist suunatakse JA-elemendi kaudu üks sisendsignaalidest läbi VÕI-elemendi väljundisse. Dekoodri sisendkood on multpleksori juhtkoodiks.

summaator (Adder)

2

Kahe biti liitmisel on sisenditeks a ja b ning ülekanne madalamast bitist kõrgemasse (carry out). Väljundiks on summa ning ülekanne omakorda kõrgemasse bitti (carry in). Summaator on moodustatav JA, VÕI ning EI-elementidest.pool- ja täissummaatorid, paraleel- ja järjestikülekandega, kiireülekanne, lahutajad.Arvuti loogikalülitus, mis on ette nähtud arvkoodi aritmeetiliseks summeerimiseks. (kahe arvu liitmiseks, summaatori osavõtul toimub ka lahutamine, korrut, jagam s.t taanduvad liitmisele ja nihutamisele). Poolsummaator - 2sis 2välj skeem, ei võta arvesse madalamast jägrust toimuvat ülekannet. Täissummaator - 3sis ja 2välj võtab arvesse. Jadasummaator - mitmekohalised arvud liidetakse bitikaupa. Rööpsummaator - liidetakse kõik bitid korraga. Jadaülekandega - ülekandeväljundid ühendatakse kõrgemate naaberkohtade ülekande sisenditega, aeglasem, aga vähem rauda. Rööpülekandega - ülekandesignaal jõuab kõigisse ülekandega haaratud pesikuisse praktiliselt üheaegselt. Palju rauda. Lahutajad - lahutamine on täiendkoodi liitmine. otsekood(0100) > pöördkood(1011) > täiendkood(1100) (eelmisele 1 liita). Kiire ülekanne - jadarööpülekanne. pesikud jaotataksegruppidesse. Gruppide vahel võimalik: 1) jadaülekanne gruppides ja rööpülekanne gruppide vahel2) vastupidi

ALU ( Arithmetic-Logic Unit)

Teostab aritmeetika ja loogikatehteid. Multipleksor valib vastavalt etteantud koodile ühe kindla funktsiooniga sisenditest ja suunab väljundisse. Selle lülituse alusel võib koostada mitmebitiseid mitmefunktsioonilisi aritmeetika-loogika-plokke. Aritmeetikatehete operandide ja tulemuste salvestamise jaoks on otstarbekas kasutada registreid ning suunamised registritest ALU sisenditesse ja ALU väljundist registritesse teostada multipleksorite ja demultipleksorite abil. ALU väljundsignaale – liitmisel või nihutamisel ülekandena kõrgeimast bitist tulevad CO (carry out) ja madalaimast bitist allapoole väljanihkuvad LSB-d (last significant bit) – saab kasutada sisendsignaalidena CI (carry in) ja MSB (most significant bit) ALU töö samal sammul. Näiteks CO suunamisel CI-sse realiseerime ringülekande, LSB suunamisel MSB-sse toimub ringnihe jne. CO ja MSB väärtusi võib salvestada ka trigerite abil ja kasutada ALU töö järgmisetel sammudel. Peale selle on osutunud otstarbekaks registreerifa tehte tulemuse muidki tunnuseid, milledest tähtsamad on ületäitumine, mis paljudel juhtudel vastab CO-le, nulltulem, negatiivne tulem, väljanihkunud biti väärtus C jt.

Tunnuste salvestamiseks rakendatakse trigereid, mille olekuid kasutab nii ALU ise kui ka tema juhtplokk. Kirjeldatud tunnusbitte nimetatakse sageli lippudeks (flag) ja nad kuuluvad funktsionaalselt ALU juurde.

dekooder (Decoder)

võimaldab identifitseerida sisendis olevat kahendkoodi. N-sisendilisel dekoodril on nn. täieliku dekoodri korral kuni 2n väljundit. Dekooder on lihtsasti koostatav ja-elementidest. Sõltuvalt sisendkoodist on ainult ühel väljunditest signaal 1, ülejäänutel signaal 0.

koodimuundur (Code Converter)

3

Teisendab näiteks 2nd koodi 10nd koodiks. B3B2B1B0 > D1D0 1101 > 0001 0011

Enamkasutatavaid järjestikskeeme

trigerid (Flip/flop, latch)

triger on elementaarne salvestuselement, millel on kaks stabiilset olekut. Ühele olekule omistatakse leppeliselt kahendväärtus 1, teisele olekule 0. Erinevalt loogikaelementidest ei sõltu trigeri olek mingil hetkel mitte ainult sisendite väärtustest sellel hetkel, vaid olulisemad on hoopis trigeri endine olek ja eelmised sisendiväärtused.

Latch triger koosneb VÕI-EI- elementidest (NOR). Kui triger on ühes oma stabiilsetest olekutest, nii et Q(katusega)=1 ja Q=0, mis vastab trigeri 0-olekule. Sisendites signaal puudub, s.o. S=R=0. Et Q=0, hoiab vastav inverteeritud signaal alumise VÕI-elemendi sisendi kaudu viimase väljundis Q(katusega) pidevalt signaali. Ülemise VÕI-elemendi sisendid on aga mõlemad väärtusega 0, mistõttu ka väljundis puudub signaal. Trigeri viimiseks vastupidisesse olekusse piisab lühiajalisest signaalist sisendisse S (S=1). Selle mõjul tekib VÕI-elemendi väljundis signaal (Q=1), mis inverteerituna satub alumise VÕI-elemendi sisendisse. Nüüd on selle VÕI-elemendi mõlemad sisendid väärtusega 0 ning signaal väljundis Q(katusega) kaob (=0). Signaal Q(katusega) = 0 antakse inverteeritult ülemise VÕI-elemendi sisendisse, mis jääb hoidma selle elemendi väljundil signaali Q=1 ka signaali S kadumisel. Latch triger võib koosneda ka JA-EI-elementidest (NAND). Võrreldes Latch-trigeriga on siin erinevus sisendsignaalides. Stabiilseks seisuks on vaja, et S(katusega)=R(katusega)=1; trigeri oleku muutmine on võimalik signaalidega S(katusega)=0 ja R(katusega)=0. Olgu trigeri algseis Q=0, Q(katusega)=1, R(katusega)=S(katusega)=1. Selline oleks on stabiilne, sest ülemise JA-EI-elemendi mõlemas sisendis on signaal 1, mistõttu väljundis Q on 0; kuna väljund Q on ühendatud alumise JA-EI-elemendi sisendiga, siis hoitakse selle elemendi väljundit Q(katusega) stabiilselt olekus 1. Signaali S(katusega)=0 tekkimisel lülitub väljund Q ümber olekusse 1, mille tagajärjel alumise JA-EI-elemendi mõlemad sisendid saavad signaali 1 (Q=1 ja R(katusega)=1) ning väljundis Q(katusega) tekib 0. Signaali S(katusega)=0 kadumisel stabiilne olek säilib, sest alumise JA-EI-elemendi mõlemad sisendid on väärtusega 1, mistõttu Q(katusega)=0 ja ülemise JA-EI-elemendi üks sisend (Q(katusega)) on väärtusega 0, nii et väljundis tekib Q=1.Lisades trigerile takti (clock) võib muuta trigeri olekut teatud hetkel. Takt on lisasisend, mis üldjuhul on 0 ning sel juhul on mõlema JA-elemendi väljund 0, hoolimata S ja R-st ning triger ei muuda olekut. Kui takt on 1, siis ta mõju JA-elementidele kaob ning triger muutub tundlikuks S-st ja R-st. Clocked D latch eemaldab taktiga trigeri puhul esineva mitmetähenduslikkuse (kui S=R=1). Clocked D latch trigeril on ainult üks sisend ja see on D, mis annab loogikaelementidele väärtuse ning alumise JA-elemendi ette on pandud D eitus.Flip/flop trigeri puhul üleminek ühest olekust teise ei toimu kui takt on 1 vaid momendil kui takt läheb üle nullilt ühele (esifront) või ühelt nullile (tagafront).

4

registrid (Registers) nihkega ja ilma

N-bitise kahendkoodi salvestamiseks on vaja n trigerit, mis moodustavadki registri. Registreid ühendavad JA-elemendid, mis võimaldavad edastada koode ühest registrist teise. Registriks nim trigeritest koosnevat seadet, mis võimaldab salvestada, säilitada ja taasesitada infot (sõna kaupa). Igale registrisse salvestatud sõna bitile vastab registri koht (pesik?). Nihkega ehk jadaregister - trigerid ühendatud omavahel nihkeahelaga. Nihe paremale on madalamate bittide suunas ja vasupidi. Arvu nihutamine paremale tähendab ta jagamist arvusüsteemi alusega. Nihkereg võimaldab teisendada infi järjestikuselt kujult paralleelsele kujule ja vastuidi. Reverssiivne - nihkeregister, mis suudab nihet nii paremale kui vasakule. Ilma nihketa ehk rööpregistrisse salvestatakse info rööpkoodis, n-kohalise arvu jaoks n-trigerit.

loendurid (Counter)

In general, a counter is a device which stores (and sometimes displays) the number of times a particular event or process has occurred often in relationship to a clock. In practice, there are two types of counters:*up counters which increase (increment) in value*down counters which decrease (decrement) in value.

kahend, kümnend, suvalise mooduliga, sünkroonne, asünkroonne, jne.Nim impulsside loendamiseks ettenähtud loogikalülitust. Loendur on register, millesse salvestatud arv sisendile antud signaali mõjul suureneb ühe võrra. Summeerivad-loendavad päripidi, Lahutavad-loendavad tagurpidi (reverssiivne), sõltuvalt info ülekandmise viisist jaot. nad jada- ja rööpülekandega loendureiks. Kahendloendur - kahepositsiooniliste trigeritega. Lihtsaim loendustriger moodustab kahendloenduri järgu. Loendustegur=2n (n-loendurikohtade arv). Kümnendloendur - loendab järjest 2nd koodi 0...9. Sünkroonne - ehk rööpülekandega, toimub trigeritevaheline signaali ülekandmine kõigi astmete jaoks üheaegselt, mistõttu ei teki hilistumist. Asünkroonne - ehk jadaülekanne, loenduri puuduseks on signaalide ülekandmisel tekkiv hilistumine, mis suureneb koos loenduri astmete arvuga. Hilistumine võib ületada takti kestvuse.

Protsessor

Protsessori üldstruktuur

CPU (Central Processing unit) on arvuti aju. Selle ülesandeks on viia täide programme, mis on salvestatud peamälus (main memory), võttes käske, uurides neid, ja täites neid üksteise järel. Komponendid on ühendatud üksteisega siiniga, mis on kogum paralleeleseid juhtmeid aadresside, andmete ja kontrollsignaalide vahendamiseks. Siinid võivad olla nii välised CPU-le, ühendades seda mälu ja sisend/väljund seadmetega, kui ka sisesed.

5

CPU koosneb mitmest osast. Juhtautomaat on vastutav käskude võtmise ees peamälust ja nende tüübi kindlakstegemisel. Aritmeetika-loogika üksus sooritab operatsioone nagu liitmine ja loogiline korrutamine.

CPU sisaldab ka väikseid, kõrg-kiirusel mälusid salvestamaks ajutisi tulemusi ja teatud kontroll (juhtimis) informatsiooni. See mälu koosneb teatud arvust registritest, millest igaüks on teatud suuruse ja funktsiooniga. Tavaliselt on kõik registrid ühesuurused. Iga register saab sisaldada üht numbrit, kuni teatud maksimumini, mis on määratud registrite suurusega. Registritest saab lugeda ja kirjutada väga suurel kiirusel, sest need asuvad CPU sees.

o käsuloendur (PC - Program Counter, IP - Instruction Pointer)

Kõige tähtsam register, mis osutab järgmisele instruktsioonile, mis on vaja kinni püüda ja täide viia. Tegelikult ei loe see register midagi, nimi on natuke rappaviiv.

o käsuregister (IR - Instruction Register)

Ka üks tähtis register, mis sisaldab (omab) instruktsiooni, mida antud hetkel täide viiakse.

o käsudekooder (Instruction Decoder)

Complex circuitry in the CU designed to decode (interpret) any instruction in the computer's machine code repertoire.

o juhtautomaat (CU - Control Unit)

Juhtautomaat on vastutav käskude võtmise ees peamälust ja nende tüübi kindlakstegemisel

o operatsioonautomaat (Data Path)

Koosneb registritest, ALU-st ja mitmest siinist, mis ühendavad eelnimetatuid. Registrid söödavad andmeid ette kahele ALU sisend registrile. Need registrid hoiavad ALU sisendeid seni kuni ALU arvutab. Operatsiooniautomaat on operatsiooniseadme osa, milles realiseeritakse mikrokäskudega ettenähtud elementaartegevusi. Taidab järgmisi finktsioone: infosõnade salvestamine, mikrooperatsioonide sooritamine ja loogikatingimuste arvutamine. ALU sooritab aritmeetika ja loogikatehteid. Registermälu - trigeritest koosnev mäluseade. CPUs on registrid andmete, vahetulemuste või juhtinformatsiooni hoidmiseks

Käsu täitmine protse ssoris (Instruction Execution, fetch-decode-execute cycle)

Protsessor (CPU) viib täide iga käsu väikeste sammude seeriana. Umbkaudu on need sammud järgmised:

1. Järgmise käsu haaramine käsuregistrisse2. Muuta käsuloendurit, nii et ta viitaks järgmisele käsule3. kindlaks teha saadud käsu tüüp4. kui käsk kasutab sõna mis on mälus, siis kindlaks teha, kus see asub.5. Haarata see sõna, kui tarvis, siis CPU registrisse

6

6. täita antud käsk7. mine 1. sammu juurde ja alusta järgmise instruktsiooni täitmist.

Nimetatakse seda fetch-decode-execute tsükliks.

RISC - CISC protsessor

CISC - (Complex Instruction Set Computer) selline protsessor võib ühe instruktsiooni raames teha mitu erinevat mikrooperatsiooni. CISC protsessorile kirjutatud programmid on mahult väiksemad ning ühtlasi on neid masinkoodis ka suhteliselt lihtne kirjutada.

RISC - (Reduced Instruction Set Computer) selline protsessor aga toimetabki üksnes võimalikult lihtsate mikrooperatsioonidega. RISC protsessorile kirjutatud programmid vajavad rohkem mälu, sest kõik mikrooperatsioonid tuleb eraldi kirja panna, ühtlasi on selliseid programme masinkoodis ka raskem kirjutada kui CISC-le.

RISC – Reduced Instruction Set Computer vs CISC – Complex Instruction Set Computer

RISC – väike arv lihtsaid käske, mis viiakse täide ühe operatsiooniautomaadi tsükli jooksul (haarates kaks registrit, neid omavahel kombineerides, liites, lahutades AND-ides, ja salvestades tulemus tagasi registrisse). Argument RISC’i kasuks arvati olevat, et isegi kui RISC masin võtab neli või viis käsku, mida CISC masin teeks ühe instruktsiooniga, RISC masin teeks seda ikkagi 10 korda kiiremini (sest instruktsioonid ei ole interpreteeritud).

RISC: 1. suhetliselt vähe käske (eelistatavalt alla 100) ja vältida tuleb keerulisi käske 2. vähe adresseerimise viise (eelistatavalt üks või kaks) 3. vähe erinevaid käsu formaate (eelistatavalt üks või kaks), et kiiredada dekodeerimist 4. kõik käsud tuleb täita otse riistvaras ühe taktiga, ilma mikroprogrammita 5. maksimaalne käskude täitmise kiirus, mis viib paralleelsuseni 6. ainult LOAD ja STORE käsud pöörduvad mälu poole 7. võimas register mälu (ulatudes32 kuni 132-ni), et võimalikult palju oleks register-

register tüüpi käske ja vähe pöördumisi mälu poole8. jäiga loogikaga (hardwired) juhtautomaat, mis võib ka tehnoloogia arenedes asenduda

mikroprogrammeeritavaga 9. efektiivne andmevahetus alamprogrammidega 10. efektiivne käskude järjekorra juhtimine (siirded ja alamprogrammid)

Konveier protsessoris (Pipeline)

Käskude haaramine on kitsaskoht käskude täitmise kiiruse jaoks. Selle probleemi leevendamiseks on arvutitel oskus haarata käske mälust ettenägelikult, et nad oleks olemas, kui neid on tarvis. Neid instruktsioone salvestatakse registris mida kutsutakse prefetch buffer (puhvermälu register?). Nüüd, kui on käsku vaja, saab seda võtta puhvermälust selle asemel, et oodata kuni seda mälust loetakse.

7

Nõnda jagatakse käskude täitmine kahte ossa: käsu haaramine/saamine ja selle tegelik täitmine. Konveieri kontseptsiooni kohaselt ei jagata käsu täitmist ainult kahte ossa, vaid mitmesse ossa, millest iga ühega käib ümber teatud osa riistvarast, mis kõik töötavad paralleelselt.

Näiteks 1 etapp haarab käsu mälust ja paneb selle puhvermälu registrisse kuni seda vajatakse. Etapp 2 dekodeerib käsu, määrates selle tüübi ja selle, mis operande tal vaja läheb. Etapp 3 määrab kindlaks operandide asukohad ja võtab nad kas registrist või mälust. 4. etapp sooritab käsu lastes operandid läbi operatsiooniautomaadi. 5 etapp kirjutab tulemuse õigesse registrisse.

Siirete (hargnemiste) ennustamine.(Branch Prediction)

Pipelined machines must fetch the next instruction before they have completely executed the previous instruction. If the previous instruction was a branch, then the next-instruction fetch could have been to the wrong place. Branch prediction is a technique that attempts to infer the proper next instruction address, knowing only the current one. Typically it uses a Branch Target Buffer (BTB), a small, associative memory that watches the instruction cache index and tries to predict which index should be accessed next, based on branch history. Optimizing the actual algorithm used in retaining the history of each entry is an area.

Peidikmälu, vahemälu (Cache).

Põhimälus paiknevad täitmise ajal programm ja temaga seotud andmed. Programmi kiire täitmise üheks eelduseks on suure ja kiire põhimälu olemasolu. Mida suurem on põhimälu, seda väiksemaks jääb võimalus, et ülesande lahendamiseks vajalikku informatsiooni tuleb osaliselt hoida tunduvalt aeglasemas massmälus. Põhimälu töökiirus ja protsessori jõudlus on seotud seetõttu, et operatsioonid põhimäluga moodustavad protsessori tööst suure osa. Kui põhimälust lugemine ja põhimällu kirjutamine toimuvad aeglaselt, muudab see kogu protsessori töö aeglaseks.

Kuna põhimälu suurusele erilist alternatiivi ei ole, siis mälumahud üldiselt suurenevad järjekindlalt. Põhimälu töökiirus tõuseb seejuures suhteliselt tagasihoidlikumalt. Põhjused on tehnilised ja majanduslikud. Põhimälu suhtelise aegluse kompenseerimiseks kasutatakse vahemälu. Vahemälu idee seisneb väikese ja kiire, põhimälust eraldiseisva mäluseadme kasutamises, kus hoitakse muidu põhimälus asuvaid käske ja andmeid, mida protsessor parajasti kasutab. Idee kohaselt võiks sagelikasutatav informatsioon asuda pidevalt vahemälus, harvemini vajaminev informatsioon toodaks sinna töötluse ajaks. Protsessor suhtleks ainult kiire vahemäluga.

Nimetatud idee rakendamine on võimalik teatud seaduspärasuste tõttu, mis esinevad põhimälus asuva informatsiooni kasutamises protsessori poolt. Näiteks suur osa programmist asub mälus täitmisjärjekorras, osa käske täidetakse korduvalt, mõningaid andmeid kasutatakse korduvalt jne. Need asjaolud lubavad protsessorile vajaliku informatsiooni toimetada õigeaegselt põhimälust vahemällu. Tänapäevaste vahemälusüsteemide kasutamise efektiivsus ulatub 90%-ni ehk üheksakümnel juhul sajast mälu poole pöördumisest leiab protsessor otsitava informatsiooni kiirest vahemälust. Kui vajalikke andmeid vahemälus ei leidu, järgneb lugemine aeglasemast põhimälust.

8

Tänapäeval realiseeritakse vahemälu tihti kahes osas. Väiksem ja kiirem vahemälu, mida nimetatakse ka L1-vahemäluks (Level 1 Cache), on reeglina protsessori üheks struktuuriüksuseks. Suurem ja aeglasem L2-vahemälu võib olla nii protsessori koostisosa kui eraldiasuv elektronlülitus. L1-vahemälude maht ulatub käesoleval ajal kuni 64 KB-ni, L2-vahemälud mahutavad kuni 1MB informatsiooni.

Vahemälude kasutamine annab vastuvõetavate kulutustega märkimisväärse arvutisüsteemi jõudluse kasvu.

Arvuti mälu

Mälu hierarhia arvutis (Memory hierarchy)

Mälu hierarhia tipus asuvad registrid, millele pääseb ligi kõige kiiremini. Järgmisel kohal on vahemälu (cache). Põhimälu on järgmisel kohal ja peale teda tulevad kõvaketas, CD-ROM ja lint. Allapoole liikudes suureneb pöördumise aeg ning mälu maht.

Arvuti mälu klassifikatsioon (Computer memory classification)

Arvuti mälu jaguneb suvapöördusmäluks (RAM) ja jadapöördusmäluks. Viimane jaguneb magnet- ja optiliseks mäluks. Magnetmälu jaguneb säilivaks mullmäluks, floppy-ks, kõvakettaks, magnetkettaks ja lindiks. Optilised mälud on CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD, magnetoptiline ja holograafiline. Suvapöördusmälu e. RAM jaguneb pooljuhtmäluks ja magnetmäluks, mis jaguneb ferriitmäluks. Pooljuhtmälu jaguneb mittesäilivaks ja säilivaks mäluks. Mittesäilivad mälud on staatiline RAM ja dünaamiline RAM, säilivad mälud on ROM, PROM, EPROM, EEPROM ja FlashEPROM.

Staatiline pooljuht suvapöördusmälu (Static RAM)

Staatilised muutmälud on kiired mälud, mis toitepinge olemasolul säilitavad salvestatud informatsiooni kuitahes kaua. Samas sisaldavad need mäluskeemid arvukalt komponente, võtavad palju ruumi ja on suhteliselt kallid. Seepärast kasutatakse suuremate mälumahtude korral üldiselt dünaamilisi muutmälusid.Mälu nimetatakse staatiliseks, sest salvestatud informatsioon säilib seal ka pärast mälust lugemist, püsides kuitahes kaua, kui mäluelemendile on rakendatud toitepinge. Kui sisendi-väljundi juhtimise signaal R/W=1, siis on tegemist lugemisega, kui R/W=0, siis on tegemist mällu kirjutamisega. Signaali CS(katusega) kasutatakse selleks, et üldse lubada mälukiibist bitti lugeda või sellesse kirjutada. OE(katusega) avab andmesiini puhvrid. Kasutatakse lülitusi, mis on sarnased D flip-flop trigerile.

Dünaamiline pooljuht suvapöördusmälu (Dynamic RAM)

Dünaamiliste muutmälude tööpõhimõte on lihtne. Informatsiooni hoidmiseks kasutatakse kondensaatorit. Ühe infobiti kahele loogilisele olekule vastavad siis laetud ja laadimata kondensaator. Skeemilistel ja tehnoloogilistel põhjustel moodustavad ühe mäluelemendi kondensaator ja transistor, kusjuures kondensaatorina on põhimõtteliselt võimalik kasutada transistori kahe viigu vahelist mahtuvust, mis igal väljatransistoril konstruktsiooni eripära tõttu juba paratamatult eksisteerib.

9

Oluliseks erinevuseks staatilise mäluelemendiga võrreldes on see, et informatsioon säilib mälupesikutes vaid lühikest aega ja seda on vaja pidevalt uuendada ehk regenereerida. Regenereerimise ajal ei ole tavaline lugemine ega kirjutamine võimalik, samuti ei saa regenereerimist alustada lugemise või kirjutamise tsükli ajal. Regenereerimishetke kindlaksmääramine, kõigi rea-aadresside etteandmine, lugemise ja kirjutamise blokeerimine jms. teevad dünaamiliste pooljuhtmälude kasutamise võrreldes staatilise mäluga keeruliseks, sest nad nõuavad erielemente. Koosneb massiivist elementidest, mis omakorda koosnevad transistorist ja kondensaatorist. Kõrge tihedusega (palju bitte ühe kiibi kohta), seetõttu on ka põhimälu enamasti ehitatud dünaamilistest RAM-idest, kahjuks on sel ka oma hind, mis väljendub nende aegluses.

Püsimälu (ROM - Read Only Memory)

ROM on mõeldud paljukordseks informatsiooni lugemiseks; info on püsimällu salvestatud eelneva spetsiaalse tehnoloogilise protsessi käigus. PROM on programmeeritav püsimälu. Tema püsimälu sisu saab programmeerida kas tehases tema integraallülituste valmistamise käigus vastavate tehnoloogiliste maskidega, või mikroprotsessorisüsteemide koostaja poolt spetsiaalseid programmaatoreid kasutades. EPROM on ümberprogrammeeritav püsimälu. Neid elemente programmeeritakse samuti spetsiaalsete programmaatorite abil, kuid säilitatavat informatsiooni on võimalik elektriliselt või ultraviolettkiirgusega kustutada ja seejärel mäluelementi uuesti programmeerida. EEPROM-I puhul saab informatsiooni kustutada impulsside abil. EEPROM-I on lihtsam ümberprogrammeerida kui EPROM’I, kuid nad ei ole nii kiired kui viimane. FlashEEPROM on blokk-kustutatav ja -uuesti kirjutatav. Kustutamiseks ei ole seda tarvis ahelast eemaldada. Kasutatakse digikaamerates näiteks.Andmed säilivad ka siis, kui masin välja lülitada.

Magnet mäluseadmed (Magnetic memory)

Magnetketas koosneb ühest või mitmest alumiiniumtaldrikust, mis on kaetud magnetiseeritava kattega. Ketta pea sisaldades induktsioonipooli hõljub pinna kohal õhupadja peal. Kui positiivne või negatiivne vool läheb läbi pea, siis see magnetiseerib pinna otse pea all, reastades magnetilised osakesed otsaga vasakule või paremale poole vastavalt draivi voolu polaarsusele. Kui pea läheb üle magnetiseeritud ala, positiivne või negatiivne vool indutseeritakse peas, tehes võimalikuks eelnevalt salvestatud bittide lugemine. CAV (Constant Angular Velocity)-püsiv pöörlemiskiirus. CD-ROM seadmete tööprintsiip, mille puhul ketas pöörleb alati ühesuguse kiirusega sõltumata sellest, kas infot loetakse tema sisemiselt või välimiselt osalt. CLV (Constant Linear Velocity)Väiksema kiirusega CD-ROM lugejates on pöörlemiskiirus muutuv ja seda väiksem, mida kaugemalt ketta keskkohast lugemine parajasti toimub, sest seda rohkem infot ühele täistiirule mahub. Nii saavutatakse püsiv info ülekandekiirus, mis näiteks heliplaadi jaoks on ka hädavajalik.

Omadused Constant Linear Velocity (CLV)

Constant Angular Velocity (CAV)

Seadme pöörlemis kiirus Muutuv FikseeritudÜlekande kiirus Fikseeritud MuutuvKasutusala Tavalised, vanemad CD-

ROM seadmedUued ja kiired CD-ROM seadmed, kõvakettad,

10

disketi seadmed

seadmed

kõvaketas PöörlemiskiirusPöörlemiskiirus näitab kui kiiresti kõvaketta plaadid pöörlevad. Tavaliselt kiirused 3600, 4500, 5400, 7200, 10000 RPM.

Ülekande kiirus.Sisemine ülekande kiirus (Internal transfer rate) - kui kiiresti suudab lugemispea saata infot kontrollerile.

Burst ülekandekiirus (Burst transfer rate) näitab liidese ülekande kiirust.

Pidev ülekande kiirus (Sustained transfer rate) näitab kui kiiresti liigub info arvuti ja draivide vahel teatud kindala aja jooksul keskmisel.

Keskmine päringu kiirus (access time) = Keskmine otsimisaeg (seek time) + varjatud otsimisaeg (latency)

Otsimisaeg (seek time) näitab kaua võtab lugeja peal aega, et jõuda õigele rajale (tavaliselt 10 ja 15 millisekundit).Varjatud otsimisaeg (latency) näitab, kaua võtab kõvakettal aeg, et pöörata plaate nii, et pea jõuakse mööda rada liikudes õige punktini, kuhu info on salvestatud.

Kõvaketta liidesedIDE- (Integrated Drive Electronics või Intelligent Drive Electronics). Personaalarvutite enimlevinud kõvakettaliides.Paralleelnimetus ATA (AT Attachment, eesti k. AT ühendus). Lubab maksimaalset andmete ülekandekiirust 8,3 MB/s. IDE puhul tekivad probleemid suuremate kui 528 MB ketastega.EIDE- (Enchanced IDE). IDE edasiarendus, mille maksimaalne andmete ülekandekiirus on 16,6 MB/s ning mis lubab CD-ROM-i

lugejate ja üle 528 MB mahutavate ketaste kasutamist. Lubab maksimaalselt 4 kettaseadme ühendamist.

Töökindlus

MTBF - keskmine tõrketa tööaeg (mean time between failures) on kõvaketaste puhul 200,000 ja 500,000 tunni vahel.Põhimõtteliselt näeb kõvaketas seest välja nagu pisike grammofon, ülestikku asetatud plaatide ja nende vahel liikuvate lugemis/kirjutamispeadega. Mida suurema mahutavusega kõvaketas, seda rohkem plaate on. Erinevalt flopikettast, mis on kergesti vahetatav ja transporditav, on kõvaketas (varem nimetati ka Winchester- kettaks) jäigalt seotud kettaseadmega. Ta on paigutatud hermeetiliselt suletud, tolmukindlasse korpusesse. Metallkest on suletud hermeetiliselt. Kesta sisemus peab

11

olema võimalikult tolmuvaba, võimaldamaks parimat täpsust ketta lugemis -ja kirjutuspeade sihtimisel ketta pinna ulatuses.

Tänapäeva kõvaketta kettakontroller on sisse ehitatud. See kontrollib lugemis -ja kirjutamispeade liikumist, andmete lugemist ja salvestamist.

Lugemis- ja kirjutamispead. Iga ketta kummagi poole jaoks on oma pea Andmed paiknevad ketta pinnal väikeste magneetiliselt polariseeritud väljadena, mida

arvuti loeb kui 0 ja 1 jada Telg paneb kettad pöörlema. Moodsa kõvaketta pöörlemissagedus on tavaliselt

vahemikus 4500 - 10000 pööret minutis. Mida suurem pöörlemissagedus, seda kiiremini saab andmeid kettalt lugeda. Teoreetiliselt, sest see sõltub ka muudest teguritest, mitte ainult pöörlemissagedusest. Nii et suurem number ei pruugi alati just näidata kiiremat kõvaketast.

Kettad ise on kas metallist või klaasist ning kaetud üliõhukese (kuni 0,000001 mm) magneetuva kihiga

pehme ketas floppy disk. Väike eemaldatav medium, esimesed floppyd olid painduvad ja suhteliselt pehmest materjalist. Erinevalt kõvakettast, kus pea hõljub ketta kohal õhupadjal, siin pea on vastu ketast ja puudutab seda. Selle tulemusel nii pea kui ka ketas kuluvad kiiresti ära. Kulumise vähendamiseks peatatakse pea ja pöörlemine, kui draiv ei loe ega kirjuta.

magnetlintstriimerStriimer on kassettmagnetofoni taoline seade suurte infohulkade säilitamiseks ja ülekandmiseks ühest arvutist teise. Striimer kasutab lindikassette, mis on täiesti sarnased laiatarbe kassettmagnetofonide kassettidele, kuid lint on kvaliteetsem. Ühele kassetile mahub 60…300 Mb informatsiooni. Striimerist on abi, kui on soovi säilitada oma hinnalisemat tarkvara ja andmeid võimalike rikete eest koopiatena või kui on soovi kogu kõvaketta sisu kanda üle teise arvutisse. Striimeri mõõtmed on sama suured, kui disketi- või kõvakettaseadmel, nii et võib ta paigutada vaba koha olemasolul otse arvutiplokki. Striimer ei asenda kettaseadmeid ja ta pole ka kassettmagnetofoni baasil realiseeritud välisseade. Ei või öelda, et striimer oleks kõige hädavajalikum seade arvutikomplektis, kuid tema olemasolul on tast kindlasti abi.Võrreldes teiste andmekandjatega on lindiseadmete eelis odavus. Puuduseks aeglus, andmeid ei saa lugeda suvalisest kohast suvalisel ajahetkel nagu ketasseadmetel, vaid peab ootama, kuni lint on jõudnud ennast kerida soovitud kohani.

magnetketasIomega ZIP drive’i kettale mahub 70 korda enam andmeid kui 3,5- tollisele disketile (100 Mb). Seejuures on ZIP seadme lugemiskiirus üle kahekümne korra tavalisest flopiseadmest kiiremLS-120- (Imations SuperDisk) see on Compaq/Imation- i 120 MB-ne standard. Ühendamiseks kasutatakse EIDE- liidest. Loeb nii vanu 1,44 MB, kui ka uusi 120MB kettaid, kasutades selleks kahte lugemispead.HiFD (High Floppy Disk) see on Sony disketiseade, mis suudab lugeda 200 MB- seid 3½" diskette.Jaz (kõvaketta kantav version)- seadme maksimaalne pidev andmeedastuskiirus on 6,73 MB/s; keskmine otsiaeg 12 ms; pöörlemiskiirus 5400 pööret minutis; ketta vormindamise aeg

12

30 min; talub kukkumist 3 meetri kõrguselt; andmed säilivad 10 aastat; keskmine tõrketa töövältus(MTBF) 250 000 tundi.Caleb UHD144 - See uus seade lubab salvestada spetsiaalsele disketile 144 MB, olles samal ajal ühilduv ka vanade 1,44 MB ja 720 KB 3,5”diskettidega.Samsung Pro-FD - See seade on ühilduv ka vanade 3.5-tolliste (1.44Mb and 720Kb) ketastega ning mahutab spetsiaalketastel 123 megabaiti.magnet-optiline ketas Väikese intensiivsusega magnetväli muudab biti ala polaarsust. Lugemisel peegelduva kiire polaarsus kannab infot.MO-ketaste eelised :

Andmete säilitamine MO-ketastel on mugav. Kettalt lugemine on praktiliselt sama kiire kui kõvaketta korral, kirjutamine umbes kolm- neli korda aeglasem.

MO-kettal on hõlbus viia andmeid ühest kohast teise. Kui väiksemate andmehulkade viimiseks ühest arvutist teise kasutatakse tavaliselt disketti, siis suuremahuliste andmete jaoks jäävad disketid väikeseks

Magnetoptilised kettad on oma olemuselt töökindlamad tavalistest kettaseadmetest. MO-kettad taluvad palju paremini magnetvälju kui tavalised magnetkandjad. Samuti on MO-ketaste lubatud temperatuurivahemik suurem 5-45oC. Andmete säilivusajaks pakub näiteks Fujitsu oma ketaste puhul 30aastat.

Magnetoptilisi (MO) seadmeid on väga erineva mahutavusega. Toodetakse nii 3,5” kui ka 5 ¼” seadmeid. 3,5" kettaid on erinevate mahutavustega nt. 128 MB, 230 MB, 650 MB. Kõik senised realisatsioonid kirjutavad ketta ühele küljele.Magnetoptilisi kettaid tehakse ka 5,25- tollistena ning need seadmed võimaldavad suuremaid salvestusmahtusid ja reeglina ka suuremaid kiirusi. Sellised seadmed kasutavad juba ka kahepoolset kirjutamist

CAV Constant Angular Velocity, konstantse nurkkiirusega kettad. Pöörlemiskiirus on konstantne ja igal rajal on ühesugune arv sektoreid. Seega paiknevad bitid välimisel rajal suhteliselt väikese tihedusega ja palju ruumi läheb kaotsi. Nii töötab enamik magnetkettaid. Antud meetodit kasutavad tavaliselt ka alates 16-kordsetest CD-ROM-id.

CLV Constant Linear Velocity, konstantse joonkiirusega kettad. Siin hoitakse konstantsena parajasti loetava raja joonkiirus. Iga rajavahetuse järel tuleb reguleerida ketta pöörlemiskiirust ning see viib andmeedastuskiiruse alla. Salvestustiheduson kõigil radadel sama ja andmeedastuskiirus konstantne. Seda meetodit kasutatakse laserketaste puhul.

ZCAV Zoned Constant Angular Velocity, konstantse nurkkiirusega tsoonkettad. Need kettad paistavad silma muutuva andmeedastuskiirusega: välimiselt rajalt loevad nad pea kaks korda kiiremini kui sisemiselt. Ketas on jagatud tsoonideksja üks rada sisaldab igas tsoonis erineva arvu sektoreid. Kuna ketta pöörlemiskiirust hoitakse konstantsena, siis liigub välimise raja salvestis lugemispeast lihtsalt kiiremini mööda, võimaldades kiiremat andmeedastust. See meetod on kasutusel paljude SCSI-magnetketaste ja uuemate magnetoptiliste ketaste juures.

13

Optilised mäluseadmed (Optic memory)

Suurema salvestamistihedusega kui magneetilised kettad.

CD

Infrapunase laseriga põletatakse 0.8 micronilise diameetriga augud klaasist kattega master diskile. Sellest vormitakse CD, kus on aukude asemel mügarikud. Polükarbonaadi abil vormitakse sellest CD, mis on sama mustriga nagu master. CD kaetakse õhukese alumiiniumkihiga, mis omakorda kaetakse kaitsva lakiga. Lohke polükarbonaadis kutsutakse “pit”-tideks ja põletamata alasid aukude vahel kutsutakse “land”-iks e. maaks. Infrapuna laser loeb CD-le salestatud infot polükarbonaat poole pealt, kui lohud ja tasased pinnad temast mööduvad. Lohkudest peegeldub laservalgus tagasi nii, et valgusdetektorisse jõuab vähem valgust, kui tasaselt pinnalt tagasi peegeldudes. Lohud ja tasane pind on kirjutatud CD-le spiraalselt alustades CD keskel oleva augu lähedusest ja liikudes kogu aeg väljapoole. Seega peab ka ketta pöörlemiskiirus vähenema

CD-ROM

Valmistatakse CD-ga ühte moodi. Jagatud sektoriteks. Lisatud on sissejuhatav kood, veaparandus- ja kontrollkoodid.

CD-R

Sarnaneb ehituselt CD-ROM-ile, kuid põhimiku ja metallikihi vahel on valgustundlikust orgaanilisest materjalist (tsüaniin või seda sisaldavad segud) andmekiht. Põhimikku on pressitud pidev spiraalvagu, mille järgi kirjutav seade hiljem kirjutuslaserit positsioneerib (kirjutamiseks kasutatakse kõrge intensiiivsusega laserkiirt). Kirjutamisel tekitatakse vagudevahelisele alale “lohke”.Need ei ole tegelikult lohud, vaid materjali kerge sulatamisega mittepeegeldavaks muudetud piirkonnad, mida CD- seadme laser peab lohkudeks.

CD-RW

CD-RW andmekihi pind koosneb erilistest keemilistest komponentidest, mis võivad oma olekut korduvalt muuta ja säilitada, sõltuvalt temperatuurist. Materjali kuumutamisel ühe temperatuuriga ja seejärel jahutades, aine kristalliseerub ning teise temperatuuriga kuumutades, võtab aine mittekristalliseerunud oleku. Kui aine on kristalliseerunud, peegeldab ta rohkem valgust kui mittekristalliseerunult, seega saabkristalliseerunud pinda kasutada kui põhipinda "land" ja mittekristalliseerunud kohta lohuna "pit". Seega peab CD-RW seade kasutama korduvkirjutamisel kahte erinevat laserikiire võimsust.

DVD

Digital Video Disc. Üldjoontes sama tehnoloogia, mis CD-de puhul ainult, et väiksemad lohud (0,4 micronit), tihedam spiraal(0,74 micronit radade vahel, CD-de puhul oli see 1,6 micronit), kasutatakse punast laserit (0,65 micronit, mitte enam 0,78 micronit)

14

Holograafiline salvesti.

Tavapärase mälutehnoloogia — magnetkõvakettad, optilised disketid ning pooljuhtmälud — pidev täiustumine on aidanud neil sammu pidada järjest kasvavate nõudlustega mahu ja kiiruse suhtes. Siiski on kindlaid tõendeid, et need pind–salvestusmeetodid on jõudmas fundamentaalsete piirideni, mida võib olla raske ületada, nagu näiteks valguse lainepikkus ning salvestatud bittide termiline stabiilsus. Alternatiivne lahendus järgmise põlvkonna mäludele oleks ruumiline andmesalvestusviis.

Andmete digitaalne salvestus hologrammihulga abil pakub andmete suurt tihedust ning kiire taastamise võimalust. Praegune uurimise põhirõhk on suunatud sellise süsteemi projekteerimisele, müra vastu võitlemisele ning sobivamate salvestusmaterjalide leidmisele.

Püüame siis heita pilgu hetkeseisule holograafilise ruumilise mälu arenduses, kus suure tiheduse saavutamiseks kasutatakse mitmekihilisi hologramme. Info kodeeritakse ja säilitatakse tasapinnaliste pikselkujutistena, kus iga piksel tähistab 1 bitti. Täielik paralleelsus võimaldab kiiret lugemist: kui võtta lugemiskiiruseks 1000 hologrammi sekundis, kusjuures iga hologramm sisaldab 1 000 000 pikslit, siis saame väljundkiiruseks 1 Gbit/s. Võrdluseks, DVD kiirus on 10 Mbit/s.

Õnnestunud on katsed pindtihedusega 100 bitti ruutmikroni kohta 1 mm paksuses materjalis; paksemas materjalis võib see ulatuda ligi 350 bitini ruutmikroni kohta. Võrdluseks, DVD puhul on pindtihedus 20, magnetketastel aga 4 bitti ruutmikroni kohta. Selle salvestustehnika potentsiaal on haaranud arendusse kaasa paljud firmad alates Bell Labs–ist kuni US–DARPA–ni (kuhu kuuluvad näiteks IBM, Kodak, Polaroid jt).

Meeldetuletus füüsikast

Hologramm on kujutis, mis saadakse kahe koherentse valguskiirte kimbu lõikumisel tekkiva interferentsimustri salvestamisel. Tavaliselt jaotatakse laserikiir kaheks kiireks — infot kandvaks signaalikiireks ning häirimata laservalguse tugikiireks — ning salvestatakse nende ühinemisel tekkiv interferentsipilt.

Sellise interferomeetrilise salvestuse põhiomaduseks on see, et kui seda salvestust valgustada lugemiskiirega, difrageerub lugemiskiir osaliselt signaalikiire nõrgaks koopiaks. Kui signaalikiir saadi näiteks valgustades ruumilist objekti, siis hologrammi heiastamine tekitab objekti ebakujutise hologrammi taha.

Kui hologramm on salvestatud õhukesele materjalile (materjali paksus on samas suurusjärgus interferentsimustri keskmise perioodiga), võib lugemiskiir veidi erineda salvestusel kasutatud tugikiirest, kuid stseen ilmuks siiski. Kui hologramm salvestatakse paksule materjalile, siis see valguse hulk, mis lugemiskiirest difrageerub signaalikiire sihis (difraktsiooni tõhusus), sõltub lugemiskiire ning algse tugikiire sarnasusest. Väike erinevus lainepikkuses või lugemiskiire nurgas on piisav, et kaotada hologramm. Heiastusprotsessi tundlikkus nende väikeste muutuste suhtes kasvab peaaegu võrdeliselt materjali paksusega. Seega, kasutades paksemaid salvestusmaterjale, võivad konstruktorid kasutada seda lugemiskiire nurga ja lainepikkuse tundlikkust, et salvestada mitmekordseid hologramme. Teise, nn nurkmultipleksitud hologrammi salvestamiseks muudetakse piisavalt tugikiire nurka, nii et taastamisel esimene hologramm kaob. Uut langemisnurka kasutatakse uue signaalikiirega uue hologrammi salvestamisel. Kahte hologrammi saab lugeda, muutes lugemislaseri kiire nurka.

15

2 sentimeetri paksuse hologrammi puhul on tundlikkus nurga suhtes vaid 0,0015 kraadi. See teeb võimalikuks tuhandete hologrammide salvestamise kiire langemisnurga lubatavas vahemikus (tavaliselt 20–30 kraadi).

Andmete salvestus ja taastamine

Et kasutada hologrammihulki salvestustehnoloogiana, peavad salvestatavad andmed olema esitatud signaalikiirega ning lugemiseks tuleb nad taastada heiastatud kiirest. Süsteemi sisendseadet kutsutakse ruumiliseks valgusmodulaatoriks (SLM, Spatial Light Modulator). SLM on tasapinnaline tuhandetest pikslitest koosnev hulk, kus iga piksel on iseseisev optiline lüliti, mille võib seada kas valgust läbi laskma või seda blokeerima. Väljundseade on sarnane hulk, ainult et koosneb detektorpikslitest.Müra

Lugemisprotsessis heiastatakse kujutis väljunddetektorite hulgale, kus digitaalsed andmed eraldatakse detekteeritud signaalist. Müra tekitab nii detekteerimisprotsess ise kui ka järgmised faktorid:

• Lugemistingimuste muutumine. Seda võib esineda juhul, kui näiteks salvestamisel muutuvad materjali omadused. See tekitab ebasoovitavaid muutusi tugikiire rajas hetkedel, mil hologrammi salvestatakse või heiastatakse. Sageli saab tugikiire nurka või lainepikkust kohandada difraktsiooni tõhususe optimiseerimisel nende muutuste osaliseks kompenseerimiseks.

• Detektorite hulk ei joondu pikslite hulgaga hologrammis. Siia kuuluvad kaamera paigutamise, fokuseerimise ning kujutise suuruse muutmise vead.

• Detektor võtab vastu soovimatut valgust, kas siis salvestusmaterjalilt hajuvat või kaja teistelt salvestatud hologrammidelt või sama hologrammi pikslitevahelist kaja.

• Detekteeritud kujutise ulatuses varieerub heledus. Selline probleem tekib, kui kujutise ulatuses kasutatakse vaid ühte läve eraldamaks eredaid ja tumedaid piksleid ning omistamaks binaarväärtusi. Neid kõikumisi võivad põhjustada SLM, optiline kujutamine või originaallaserkiired.

Erinevate pöördus viisidega mälud ( pinumälu (Stack, LIFO), puhvermälu (FIFO) )

Pinu võib ette kujutada pealt avatud anumana, kuhu võib üksteise peale laduda andmeid. Oluline omadus on võimalus andmeid ära võtta ainult sissepanekule vastupidises järjekorras. Viimasele sissekandele osutab pinuviit – s.o. aadress, millelt on võimalik välja lugeda viimasena salvestatud muutuja ning millele järgnevale aadressile võib kirjutada uue muutuja. Analoogiliselt anumaga võib pinu täis saada, kui temale eraldatud ruum on ära kasutatud. Pinuga opereerimiseks on olemas käsud PUSH – salvestamine pinusse ja POP – pinust lugemine.Järjekorda võime ette kujutada toruna, millesse ühest otsast pannakse andmeid juurde, teisest otsast aga võetakse välja. Struktuuri mõttes võib pinu ja järjekorda võrrelda nii: pinu on

16

selline järjekord, kus teenindamise printsiip on LIFO (last in first out) – viimasena saabus, esimesena teenindati. Tavalise järjekorra teenindamine toimub printsiibil FIFO (first in, first out). Järjekord andmestruktuurina eeldab ainult FIFO printsiibi kasutamist.

Käsusüsteem ja adresseerimine.

Käsuformaadid ja käsusüsteem (Instruction set)

An instruction set, or instruction set architecture (ISA), describes the aspects of a computer architecture visible to a programmer, including the native datatypes, instructions, registers, addressing modes, memory architecture, interrupt and exception handling, and external I/O (if any).Kõrgtaseme keelAssembler keelmasinkood

Andmeedastus käsud Data transfer instructionsMOV, LOAD, STORE, ...

Aritmeetika-loogika käsud Arithmetic-logic instructionsAND, OR, ADD, SUB, …

Hargnemiste (siirete) käsud Branch instructionsJMP, CALL, RET, …

Pinumälu, sisend-väljund seadmete ja protsessori juhtimineStack, I/O, Machine control instructions

PUSH, POP, IN, OUT, NOP, ...

Adresseerimise viisid (Addressing modes)

Otsene - käsuga antakse ette operandi aadress, mille järgi see sealt ka leitakse. Vahetu - operand antakse koos käsuga, mälus on koos käsukood ja operant Suhteline - antakse operandi aadress käsuloenduri prog. jooksva aadressi suhtes. Operandi aadress leitakse käsuloenduri ja juhtaadressi summeerimisega. Kaudne - kõigepealt leitakse mälust operandi aadress ja seejärel teisest mälupesast operand. Indekseerimine - baasaadressina kasutatakse indeksiregistris salvestatud aadressi sõna. Autoinkrementne - sarnane kaudsega, aga pärast operandi adresseerimist ja käsu täitmist registri sisu kasvatatakse registri sisu 2 võrra või 1 võrra. Autodekrementne - sarnane kaudsega, enne operandi adresseerimist kahandatakse registri sisu 2 või 1 võrra.1. Vahetu adresseerimine – direct addressing Operandi määratlemiseks kasutatakse tema täisaadressi. Instruktsioon pääseb ligi alati ainult täpselt samale mälukohale, nii et väärtus võib muutuda, aga asukoht mitte. Saab kasutada globaalsete muutujate korral.2. Otsene adresseerimine - Immediate AddressingKäsu aadressi osa sisaldabki endas operandi, mitte aadressi või muid instruktsioone, kust operandi leida. Operand seega laetakse mälust automaatselt samal ajal kui laetakse käsku ning on kohe kasutamiseks olemas. Nii saab hankida ainult konstante. 3.Kaudne adresseerimine - Indirect Addressing. Määratava operand tuleb mälust ja läheb mällu, aga tema aadress ei ole instruktsiooniga püsivalt seotud. Selle asmel säilitatakse aadressi registris. Nii saab erinevate instruktsiooni täitmistega koos kasutada erinevaid mälu sõnu.4.Antoinkreventne adresseerimine - Autoincrement Addressing

17

loetakse operant välja ja aadress säilitatakse modifitseeritult. LIFO- pinumälu, Pinuosuti (Stack Pointer), CP+1 liidetakse. 5.Autodekrementne - Autodecrement Addressing lahutamine. (sama, mis eelmisel). 6.Segmenteerimine - Segmentation vanem osa aadr.-st hoitakse lehekülje nr alles ja modifitseeritakse. Segmendi aadress + operandi aadress7.Adresseerimine indekseerimisega – Indexed Addressingkäsu juurde kuulub pikk baasaadress ja liidetaske juurde nihe, mis annab uue aadressi. 8.A baseeerimisega – Based Addressing Käsukoodi juurde kuulub nihe, mis võib olla lühem kui pikk aadress. 9.A. baseerimine ja indekseerimisega - liidetakse kõik (baas kui ka indeks) kokku. 10.Suhteline adresseerimine - PC - käsuloendur + Nihe ja saadakse uus aadress.

Mikroarvuti riistvara.

Mikroarvuti arhitektuur ja siinid.

siinidraiverid, andmesiin, aadresssiin ja juhtsiin. Siin kujutab endast elektriliselt sõltumatute ahelate hulka, mis on mõeldud infosõna edastamiseks. Lihtsaim siinikontroller on register. Siin on süsteemi pudelikael. Andmesiin - (DB) edastatakse vist andmeid, Aaresssiin - (AB) ta laius määrab ära max aadressmälu, Juhtsiin - (CB).. Siin - üks komplekt juhtmeid. Andmesiinid - toimub andmevahetus mõlemas suunas. Aadresssiin - määrab ära max.-ne adresseeritav mälu. Pesa, kui sise-väljund aadressi. Juhtsiin - komplekt juhtsignaale mõlemas suunas. Siinidraiver - element, mis eraldab siinist mingi seadme.Mikroprotsessorite ja arvutite ehitus sõltub sellest, kuidas nende eri osad (ALU, registrid, mälu, sisend- ja väljundliidesed) on ühendatud tervikuks. Juhtseadme protsessori, mälu ja sisend-väljundliideste vahel kasutatakse ühenduseks siine- mitmejuhiline ühendus, millega saab omavahel liita palju süsteemi komponente. Juhtseadme siin koosneb mitmest paralleelsest juhist, mis ühendavad elektriliselt juhtseadme erinevaid osi. Siinid jagunevad: aadressi-, andme- ja juhtsiinideks. Aadressi- ja andmesiinid on tavaliselt 8- või 16- soonelised, nende kaudu edastakse korraga ühe- või kahebaidiline sõna. Aadressisiini 8 biti abil saab edastada aadresse 0.. 255, mis sobib väga väikse mälu või näiteks sisend- ja väljundliideste adresseerimiseks. Kõik sisend- ja väljundliidesed ning mälu on ühendatud siiniga, millele protsessor väljastab aadressi. Suuremate mälude adresseerimiseks on vaja 16- või enamsoonelist siini 16- bitise aadressisiini korral saab otseselt adresseerida 216= 65535 baidi = 64 Kbaidi (220=1Mbait) Kui mingi sisendseade tuvastab siinil oma aadressi, väljastab ta andmesiinile oma mäluregistri bittide olekud. Samuti toimub andmesiini kaudu andmevahetus protsessori ja mälu vahel. Juhtsiini kaudu edastatakse signaale, mida kasut. arvuti töö juhtimiseks ja kontrolliks. Näiteks määravad juhtsiini kaudu edastatavad signaalid R (read) ja WR(write), kas mälu poole pöördutakse info lugemiseks või kirjutamiseks. Aadressid ja andmed on siinil väga lühikest aega. Nii saab ühe ja sama siiniga edastada kogu nõutava info paljudelt sisenditelt protsessorisse ja vastupidi protsessorist paljudesse

18

väljunditesse, lugeda mälust käske ning salvestada sinna vajalikku infot. Siinis edastatakse andmeid mõlemas suunas. Siinidraiver- element, mis eraldab mingi seadme siinist.

Mikroprotsessori üldstruktuur (monoliitprots.): akumulaator, registermälu, ALU, siinipuhvrid, pinumälu osuti (SP), jne. Akumolaator - on alati kahepoolne register, Registermälu - trigeritest koosnev mäluseade. CPUs on registrid andmete, vahetulemuste või juhtinformatsiooni hoidmiseks.ANDMEVAHETUS MIKROPROTSESSORSÜSTEEMIS (mikroarvutis): Siinitsükkel v. Masinatsükkel - iga siini poole pöördumine. I/O READ - lugemine, I/O WRITE - kirjutamine. Olekusõna - kood, mis siini kaudu väljastatakse. Siinikontroller - register, kus säilitatakse infot siinitsükli kohta. Pöördumine mälu ja välissseadmete poole - siinitsükli kaudu. Andmevahetus katkestustega - antakse aktiivsus sisend-väljund seadmetele Ilma katkestuseta andmevahetus - kõik väljundseadmed on passiivsed ja protsessor määrab ära pöördumise ja lahendab prioriteedi probleemi. Otsepöördusreziim e. DMA - korraldab ise andmevahetuse. Haarab juhtsiinid enda alla. Andmevahetus läbi DMA kontrolleri.

Mikroprotsessoriks nim. ühel või mitmel integraallülitusel ehk kiibil asuvat protsessorit. Ühel kiibil asuvat mikroprotsessorit nim. ka monoliitprotsessoriks. Mikroprotsessori seesmine juhtautomaat on kasutaja poolt programmeeritav või ümberprogrammeeritav.

Mikroprotsessori põhilised komponendid:

* registrid, * akumulaator, * ALU. Mikroprotsessor sisaldab mitmeid registreid, mida kasut. tehte tulemite või tehte vahetulemite lühiajaliseks salvestamiseks, selleks, et tulemid oleksid kiiresti saadaval järgmisteks teheteks. Akumulaator on protsessori üheks kõige tähtsamaks registriks, kuhu enne tehte sooritamist viiakse üks operandidest ning kuhu salvestatakse automaatselt aritmeetika- loogikaploki tulem. Pinumäluviit e. pinuviit säilitab muutmälu selle piirkonna aadressi, mida jooksvalt kasutatakse pinumäluna.ALU teostab mikroprogrammi poolt lahendatud loogikaülesandeid.Registermälu kasut. programmi operandide, vahetulemite ja aadresside ajutiseks säilitamiseks.Käsudekooder otsib üles järgmise käsu.

Erinevad siinid ja nende osa andmevahetuses. Andmeedastus protokollid.

Andmevahetuseeskirjades e protokollides on defineeritud juhtinformatsiooni ja andmete edastuse kord, ajaparameetrid ja kasutatavad koodid.

Sünkroonne siin Sychronous Bus Asünkroonne siin Asynchronous Bus Tagasisideta andmevahetus Open-loop data transfer Tagasisidega andmevahetus Closed-loop data transfer

19

Täieliku tagasisidega andmevahetus Fully inlocked handshaking Andmevahetus oote tsüklite lisamisega Data transfer adding Wait States Grupi andmeedastus Burst Mode Andmesedastus konveierina Pipelining

Sünkroonseks võib nimetada seadet, mille kõik töötsüklid on determineeritud kestusega ja sünkroniseeritavad arvuti mõne töötsükliga, näiteks taktsagedusega. Kõigil teistel juhtudel tuleb lugeda seadet asünkroonseks.

Andmevahetuse juhtimine (Bus arbitration)

Kui näiteks CPU ja I/O seade tahavad korraga ühte siini kasutada, siis andmevahetuse juhtimisel otsustatakse, kellel on õigus siini kasutada. Üldjuhul on I/O seadmetel eesõigus CPU ees, sest välisseadmete peatamisel võib info kaduma minna. Seadmed küsivad luba siini kasutamiseks ja andmevahetuse juhtija annab loa vastavalt seadme prioriteedile siini kasutada.

Sisend-väljund  seadmete ja protsessori andmevahetus

Andmevahetuse initsieerivaks pooleks võib olla nii arvuti kui ka välisseade. Esimesel juhul on andmevahetuse korraldamine lihtsam ja võib toimuda jäiga programmi alusel. Näiteks võib programmi kindlate ajavahemike järgi sisestada andmeid automaatikasüsteemi anduritelt, printide andmed kohe pärast nende töötluse lõppu jne.Kui andmevahetuse initsiaatoriks on aga välisseade, ei ole vahetuse alghetk enamasti põhimõtteliselt ette teada ja järelikult ei saa seda ka jäigalt ette programmeerida. Niisiis sõltub andmevahetussüsteemi riist- ja tarkvara sellest, kumb pool on andmevahetuse alustamisel initsiaatoriks.kui vaadelda andmete võimalikke liikumisteid välisseadmelt mälusse ja vastupidi, siis leiame, et põhimõtteliselt on kasutatavad kaks teed. Esimesel juhul toimub andmevahetus protsessori ja vastava programmi vahendusel, teisel juhul toimub see aga vahetult mälu ja välisseadme vahel ehk nn. Otsemällupöörduse vahendite abil (DMA). Andmevahetus protsessori kaudu toimub vastaval programmi järgi spetsiaalste sisend-väljundkäskude abil. Seejuures salvestatakse iga vahetatav bait eelnevalt akumulaatori registris. Mäluaadressi andmete lugemiseks või kirjutamiseks formeeritakse samuti protsessori abil programmiliselt. Kõiki neid funktsioone täitvaid programme nim. välisseadmete draiveriteks, nad koostatakse spetsiaalselt igale välisseadme tüübile ning nad kuuluvad harilikult operatsioonisüsteemi koosseisu.Andmevahetus kiirete välisseadmetega korraldatakse otsemällupöördusega. Selle meetodi puhul protsessor peatatakse teatud ajaks ja andme- ning aadressisiinid ühendatakse otse mälu ja andmevahetussüsteemi vahel. Kontrolleri ülesandeks on ka ülekantavate andmete arvu jälgimine ja ülekande lõpetamine, kui vajalik hulk andmeid on edastatud.

Mikroprotsessori juurde kuuluvad komponendid ( Supporting System)o Mälu kontroller (Memory controller)o Peidikmälu, vahemälu kontroller (Cashe controller)o Siini kontroller (Bus controller)

Kontrolleri ülesandeks on kontrollida sisend-väljundseadet ja juhtima siini ligipääsu sellele. Controller :

20

• Juhib I/O seadet. Põhimõtteliselt protsessor, mis on programmeeritav• Teisendab elektromagneetilised signaalid kahend koodideks. Näiteks magnet mäluseadmetel. • Erinevate kiiruste korral puhverdab andmeid I/O seadme ja CPU vahel.• Vigade avastamine ja parandamine andmeedastuses.

o Mälu otsepöördus reziimi kontroller (DMA controller)

Otsemälukanali kontroller on ette nähtud otseside loomiseks andmeallika ja tarbija vahel andmete plokiviisiliseks edastamiseks maksimaalse võimaliku kiirusega. Nagu oli juba eespool märgitud, kasutatakse seda moodust eeskätt just kiirete välisseadmete ühendamiseks arvutiga, kuid see on edukalt kasutatav ka andmete kiireks transpordiks mälu eri osade vahel. Seepärast võivad andmeallikaks ja ka vastuvõtjaks olla nii mälu kui ka välisseade. Vastavalt sellele luuakse järgmised edastuvõimalused:Välisseadmest mällu;mälust välisseadmesse;ühelt välisseadmelt teisele;ühest mälu osast teise;sageli on aga vaja andmeid edastada sõltuvalt nende sisust, massiivi nimest või mingist koodist. Seepärast on enamikus DMA kontrollerites kasutusel veel otsinguvõimalus st andmete ükshaaval läbivaatamine kuni mingi tunnuse leidmiseni.

o Programmeeritav katkestuste kontroller (Programmable interrupt controller)

Kontrollib maskregistri olekut enne välisseadme katkestuse teenindamise algust.

o Programmeeritav taimer (Programmable interval timer controller)

Koosneb loendurist ja ajkonstandi registrist. Töö alguses laetakse registrisse soovitav ajakonstant, mis pärast käivituskäsklust viiakse loendurisse ning hakatakse nüüd loendama sisendsignaali impulsse.Loendamine toimub allapoole. Periood lõpeb loenduri sisu jõudmisel nullini, mil tekitatakse väljundisignaal. Viimast võib kasutada näiteks protsessori katkestussignaalina, mis teatab etteantud ajavahemiku lõppemisest.

Sisend-väljund seadmed

Klaviatuur (Keyboard)

Vanematel klaviatuuridel oli iga klahvi all lüliti, mis andis tagasisidet kui teda vajutatid ning tegi klõpsu kui seda piisavalt kõvasti vajutati. Tänapäeval odavamatel klaviatuuridel on klahvid, mis moodustavad mehhaanilise kontakti, kui neid vajutatakse. Parematel on kummitaolisest materjalist leht või kiht nuppude ja nende all oleva trükkplaadi vahel. Iga klahvi all on väike kuplikke, mis väändub, kui seda piisavalt vajutada. Väike täpike, mis on elektrit juhtivast materjalist sulgeb vooluringi. Mõningail klaviatuuridel on magnet iga klahvi all, mis läbib pooli, kui teda vajutatakse, indutseerides nii voolu, mida on võimalik tuvastada. Allavajutatud klahv avastatakse veergude aegskaneerimise teel. Klaviatuuri read on ühendatud vastuvõtudekoodriga, mis rea ja veeru numbri järgi seab avastatud klahvi vastavusse sümboli koodi.

21

Hiir ja juhtkang  (Mouse and joystick)

Hiir on abivahend arvutiga suhtlemiseks. Eriti mugav on kasutada hiirt graafilises töökeskkonnas. Kuigi kursori liigutamiseks saab kasutada ka klaviatuuri kursorijuhtimisklahve, on töö hiirega siiski võrratult käepärasem. Töö graafiliste kujutistega ilma hiireta, on kui mitte võimatu, siis vähemalt äärmiselt ebamugav, vaatamata sellele, et paljud tarkvarapaketid pakuvad mõlemat võimalust. Traditsiooniline hiir kujutab endast väikest nuppudega varustatud karbikest, mis on juhtme abil arvutiga ühendatud ja mille sisemuses pöörleb väike kummist või plastist kuulike. Kui hiirt libistada laual (alusmatil), siis kuul pöörleb ja tema liikumisele reageerivad (klassikalises lahenduses) kaks rullikut, mis on ühendatud kahe teineteisest 90o võrra pööratud anduriga, mis kuulikese pöördliikumise teisendavad elektrilisteks impullsideks (lihtsamalt öeldes on need hiire X/Y-suunalise liikumise andurid). Need elektrilised signaalid vastavad eraldi liikumisele kahes suunas: edasi- tagasi ja vasakule- paremale. Kursor arvuti ekraanil järgib hiire liikumist aluslaual. Anduriteks on tavaliselt piludega kettakesed, mis pöörlevad hiire kuulikese liikudes ning katkestavad kettakesi läbivat valgusvoolu; neid katkestusi registreerivad fotoandurid. Piludega kettakeste asemel võib kettakeste pind olla kaetud musta-valgetriibulise mustriga: sel juhul registreeritakse fotoanduritega valgete pindade pealt peegelduvat valgust. Eriline tarkvara, hiire draiver(programm), arvutab ümber hiireelektroonika pöörde- ja kiirusimpulsid ekraanil paikneva hiirekursori (võib esineda noole, liivakella, püstkriipsu jne. kujul) liikumisteks. Olgu öeldud, et draiverid üldises tähenduses teostavad mis tahes perifeerseadme sobitamist kindlale arvutisüsteemile. Mitmed hiired on omavahel ühilduvad s.t ühe hiire juhtproged võivad sobida teistelegi. Tarkavara poole pealt on oluline, kui palju arvuti mälu hiire juhtprogramm hõivab.Optilistel hiirtel pöörlevat kuulikest pole. Sellised hiired töötavad vaid selleks otstarbeks mõeldud alusel: hiire sees asuvate andurikettakeste asemel on spetsiaalse aluse pind kaetud ristitriipudega ning hiire korpuses asuv fotoandur registreerib aluselt peegeldunud valgust, mis triipudest üle liikudes katkeb.

Hiir ühendatakse arvuti jadaporti (COM- port), s.t. andmevahetus arvuti ja hiire vahel käib jadakoodis. Signaalide töötlemiseks ja edastamiseks asub hiire korpuses eriotstarbeline integraallülitus või mikroprotsessor, mis hoolitseb hiire liikumissignaalide ja nupuvajutuste kodeerimise ning arvutisse saatmise eest. Hiire iseloomustamisel märgitakse tavaliselt ka, kas ta on varustatud 9- või 25-kontaktilise jadapistikuga. Kui arvutis on mittesobiv jadapordipistik, aitab hädast 9-25 või 25-9 üleminek; selliseid pistmikke leidub mõningate hiirte komplektidest, neid on aga võimalik osta ka eraldi. Lisaks on väga levinud hiire ühendamise viis läbi PS/2 pordi. Mõned hiired on nn. siinihiired (bus mouse): arvuti külge ei ühendata neid mitte jadapordi, vaid eraldi S/V kaabli abil.

Hiire iseloomustamisel on olulisim tema tundlikkus. Hiire tundlikkust mõõdetakse tavaliselt punktides tolli kohta (dpi- dotch per inch); tundlikkus 200 dpi näitab, et hiire liigutamisel laual ühe tolli võrra teisendub see liikumine kahesajaks elektrisignaaliks: kui tarkvaraliselt vastab ühele elektrisignaalile liikumine kuvaril ühe punkti võrra, siis 640x480 pinna katmiseks on vaja 3.2x2.4 tolli suurust lauapinda. Tundlik hiir on hea hiir, ent vahel osutub kasulikuks hiire tundlikkuse vähendamine.

Serial ehk jadapordi hiired kasutavad töötamiseks 12V ning PS/2 hiired 5V pinget.

Hiire nupud pole tavaliselt midagi muud, kui lihtsad mikrolülitid. Algupärasel Apple'i hiirel oli üks klahv, enamik tänapäeva hiiremudeleid on varustatud kahe või kolme klahviga, mille

22

funktsioon sõltub konkreetsest rakendusprogrammist (neist vasakpoolne on tavaliselt sisestusklahv (Enter) ja parempoolne paoklahv (Esc).) Leidub hiiremudeleid, millel klahvide arv ulatub viieni ja mis on mõeldud töö hõlbustamiseks Windowsis ja Internetis (Geniuse EasyScroll).

Kuigi hiir (või tema eelkäija) töötati välja Douglas Engelbart-i poolt juba 1963 aastal “Stanford Research Center”-is, muutus ta populaarseks alles alates 1984.a., mil Apple hakkas tootma graafilise operatsioonisüsteemiga mikroarvuteid (Apple Lisat ja Macintoshe), kus kasutati hiirt kõikides toimingutes, v.a teksti sisestamine. Kuna IBM- tüüpi personaalarvutites mindi graafilisele keskonnale (Windows) üle palju hiljem, tekkis seoses hiirega mõningaid tehnilisi probleeme. Algul kasutati arvuti sisse paigutatavat hiireliidese lisakaarti või standartset jadaliidest RS-232 (operatsioonisüsteem võimaldas ainult kahe RS- liidese kasutamist; kui üht kasutati näiteks printeri ja teist hiire jaoks, ei jäänud vabaks enam ühtegi jadaporti).

Üldiselt võib eristada kolme peamist hiirefunktsiooni:

Osutamine (pointing)

Kui liigutada hiirt tasapinnal, nihkub ekraanil ka hiirekursor, nii et selleg saab osutada mistahes kohale ekraanil. Et küündida ekraani kõikidesse nurkadesse, piisab hiirele tööpinnast 25x20 cm. Ekraanil oleva osuti (hiirekursori) kuju sõltub programmist: graafika programmides on see nool, tekstitöötlusel- rõht- või püstkriips või vilkuv ruuduke. Kui hiir tõsta üles ja panna teise kohta lauapeal, siis kursor ekraanil muidugi ei nihku.

Klõpsutamine

(click) Klõpsutamise all mõistetakse hiireklahvi allavajutamist ja järgnevat lahtilaskmist (seejuures kostab klõpsatus). Klõpsutamisega saab esile tõsta (valida) ja aktiveerida hiirekursori all paiknevaid graafilisi elemente (pilte). Topeltklõpsu abil saab ekraaniobjekti (nt. programmiikooni või failinime või programmifunktsiooni) alul esile tõsta (välja valida) ja siis aktiveerida (käivitada, avada jne.), mis vastab kinnitusele Enter- klahvi abil. Mõnes programmis saab kasutaja ise hiireklahvidele funktsioone omistada.

Lohistamine e. vedamine

(dragging e. drag and drop) Allavajutatud klahviga hiire liigutamist aluslaual, kuni hiirekursor on ekraanil soovitud kohas (siis klahv vabastatakse). Nii saab näiteks kuva osa (tekstilõigu, rea, veeru) esile tõsta (vastav ekraanipiirkond kujutatakse muuvärvilisena), et seda tervikliku objektina edasi töödelda,mida tekstitoimetites sageli vajatakse. Klõpsutamisega esiletõstetud graafilisi elemente saab lohistamise abil muundada ja teisaldada.Kokkuvõtvalt võib öelda, et on kolme tüüpi hiiri:

mehaanilised: Eespool kirjeldatud hiir optilis-mehaanilised (optomechanical): Sama mis mehaaniline hiir, kuid ta kasutab

palli liikumise kindlaks tegemisel optilisi sensoreid. optical: Kasutab hiire liikumise kindlaks tegemisel laserit ja vajab oma tööks

spetsiaalset alust. Sellisel hiirel pole mehaaniliselt liikuvaid osasid. Nad reageerivad

23

kiiremini ja täpsemini kui mehaanilised ja optilis-mehaanilised hiired, kuid nad on ka palju kallimad.

Hiirt võib PC-ga ühendada 3- el erineval moel:

Järjestik hiir (Serial mice) ühendatakse RS-232C tüüpi järjestik- ehk jadaporti või PS/2 porti. See on lihtsaim ühendusviis.

Rööphiir, siinihiir (Bus mice) ühendatakse arvutiga siiniliides kaardi abil. See on natuke halvem eelmisest variandist, kuna tuleb konfigureerida ja installeerida laienduskaart.

Juhtmeta hiired (Cordless mice) ei ole arvutiga füüsiliselt ühendatud. Arvutiga suhtlemiseks kasutavad nad infrapunakiiri või raadiolaineid. Raadiohiirte saadetavaid signaale vastu võttev karbike võib vabalt asetseda arvuti taga, infrapunaseid kiiri kasutavatel hiirtel peab tingimata olema otseside oma vastuvõtva kastiga. Juhtmeta hiired on kallimad kui järjestik- ja rööphiired.

Macintosh arvutitel ühendatakse hiir läbi ADB (Apple Desktop bus) pordi.

Juhthoob on igas suunas liigutatav hoob (kang), mis oma liikumisega juhib ekraanill oleva kursori liikumist. Erinevalt hiire kursorist, mis peatub koos hiire peatumisega, jätkab juhthoova kursor hoova peatumisel oma liikumist suunas kuhu kang osutab. Kursori peatamiseks tuleb hoob viia püstasendisse (neutraalasendisse). Paljudel hoobadel on ka mitu nuppu. Selle sisendseadme peamiseks kasutusvaldkonnaks on arvutimängud, kuid ka mitmed muud rakendused nt. puuetega inimestele. Juhthoova üheks eriliigiks on veel mängupult (game pad, joy pad), mis enamasti on seotud kindla mängutüübiga ja varustatud suure hulga juhtimisfunktsioonidega ning mis ühendatakse arvuti spetsiaalse mängupordi külge (15-kontaktiline pesa, mis on tavaliselt helikaardi külge ehitatud). Juhthoova ja mängupuldi erinevuseks on see, et viimasel on kindlaks määratud suunad, mille piires on võimalik liikuda, vaata kõrvalolevat joonist. Lisaks sellele, et juhthoova võib liigutada suvalises suunas, saab sellel ka valida millises ulatuses kangi lükata (mängudes saab sellega näiteks sujuvalt reguleerida erinevaid kiirusi, millega liikuda).

Kuvar (Display)o CRT (Cathode Ray Tube) kuvar

CRT sisaldab kahurit, mis tulistab elektronkiire vastu fosforestseerivat ekraani (värvilistel monitoridel on kolm elektronkahurit eralgi punase, rohelise ja sinise jaoks). Kiir jookseb realaotuse puhul peaaegu horisontaalselt üle ekraani. Jõudnud ekraani teise otsa jookseb ta tagasi ülemisse vasakusse nurka, et otsast peale alustada. Horisontaalset realadumist kontrollitakse pingega, mis on rakendatud fokusseerimisseadetele, mis asuvad paremal ja vasakul elektronkahurist. Vertikaalset ladumist kontrollitakse aeglasemalt kasvava pingega. Selleks, et kahurit tagasi ülemisse vasakusse nurka e. algasendisse saada muudetakse pinge suunda horisontaal ja vertikaal fokusseerimisseadmetel. Täisekraani kujund joonistatakse üle tavaliselt 30-60 korda sekundis. Tänapäeval kasutatakse fokusseerimiseks ka magnetvälja.

o kujundi moodustamine

CRT sees asub võre, mis moodustab punktikeste mustri ekraanile. Kui positiivne pinge rakendatakse võrele, elktronide kiirus suureneb ning seetõttu kiir tabab ekraani ja paneb selle

24

hetkeks helendama. Kui kasutatakse negatiivset pinget, elektronid tõukuvad, nii et nad ei läbi võret ja seega ekraan ei helenda. Vastavalt kasutatavale pingele, mida võrele rakendatakse kutsutakse ka esile vastava bitimustri ilmumise ekraanil.

o videomälu (Video memory)

The memory found in a video adapter that stores images as bitmaps before they are sent to the display monitor. Because displaying video images requires a great deal of computing speed and memory, the video adapter is equipped to handle this function rather than relying on the computer's CPU. There are several types of video memory such as VRAM and WRAM.

o vedelkristall kuvar LCD (Liquid Crystal Display)

Vedelkristallkuvarid koosnevad viskoossetest orgaanilistest molekulidest, mis voolavad nagu vedelik, aga neil on ka kristallile omane ruumiline struktuur. Kui kõik molekulid on reastatud ühes suunas, siis kristalli optilised võimalused sõltuvad sissetuleva valguse suunast ja polarisatsioonist. Rakendades elektrivälja saab muuta molekulide paigutust. LCD ekraan koosneb kahest paralleelsest klaasplaadist mille vahel on vedelkristall. Elektroodid on kinnitatud mõlemale plaadile. Valgus tagumise plaadi taga valgustab ekraani tagantpoolt. Läbipaistvaid elektroode, mis on kinnitatud kummalegi plaadile, kasutatakse loomaks elektrivälju vedelkristallil. Erinevad ekraani osad saavad erinevat pinget, millega kontrollitakse kujutatavat pilti. Ekraani esi- ja tagapoolele on kleebitud polaroidid, kuna on tehnoloogia nõuab, et kasutataks polariseeritud valgust.TN (twisted nematic) kuvari tagumine plaat sisaldab väikeseid horisontaalseid rööpaid (renne) ja esiplaat vertikaalseid rööpaid. Kuna esi- ja tagapaneeli reastus erineb 90 kraadi võrra, siis molekulid keerduvad tagantpoolt ette. Kuvari tagumine osa on horisontaalne polaroid ja laseb läbi ainult horisontaalselt polariseeritud valgust. Esiosaga on sama lugu –see laseb läbi ainult vertikaalselt polariseeritud valgust. Kui kahe plaadi vahel ei oleks vedelikku, siis tagant tulev horisontaalne valgus oleks blokeritud esipolaroidi poolt, muutes ekraani ühtlaselt mustaks. Ometi LCD molekulide moondunud struktuur juhib seda läbivat valgust ning pöörab selle polarisatsiooni, muutes teda nii, et ta tuleb välja horisontaalselt. Seega on ekraan elektrivälja puudumisel ühtlaselt valge. Plaadi valitud kohtadele pinget rakendades, on võimalik hävitada moondunud molekulide struktuuri, blokeerides valguse läbipääsu antud kohtades.Pinge rakendamiseks on kaks enimkasutatavat skeemi. Passiivses maatriks kuvaris mõlemad elektroodid sisaldavad paralleelseid juhtmeid. Näiteks 640x480 ekraanil tagaelektroodil võib olla 640 vertikaalset juhet ja esielektroodil 480 horisontaalset juhet. Andes ühele vertikaaljuhtmetest pinge ja ühele horisontaalsele pulsi, saab tekitada pinge ühes valitud punktis, muutes ta hetkeks tumedaks. Aktiivses maatriks kuvaris kasutatakse ristloodis juhtmete asemel väikeseid lülituselemente igas pixli positsioonis ühel elektroodidest. Neid sisse ja välja lülitades luuakse meelevaldne pingemuster üle ekraani, moodustades vajalik bitimuster.

o värviline kujund

Värvilised ekraanide tööpõhimõtted on üldiselt samad kui monokroomsete ekraanide tööprintsiibid. Detailid on märksa keerulisemad. Kasutatakse optilisi filtreid eraldamaks valgest valgusest punast, rohelist ja sinist valgust iga pixli kohal, et neid saaks eraldi kuvada. Igat värvi on võimalik üles ehitada lineaarse superpositsiooni teel kolmest põhivärvist.

Printer

25

Igasugune arvutiprinter koosneb kolmest põhiosast:

1. paberi või muu andmekandja veo- ja etteandmissüsteem,2. trükimehhanism koos trükivärvi pealekandva sõlmega (marking engine) ning3. juhtseade e. kontroller, mis juhib trükimehhanismi ja mille abiga jäädvustatakse

trükimärgid andmekandjale.

Printereid võib tööpõhimõtte järgi jaotada kahte suurde klassi:

1. löökprinterid2. löögita printerid.

    Kõik nõelmaatriksprinterid, samuti õis- ja ridaprinterid kuuluvad löökprinterite hulka. Nende hulka kuulub ka muid printeritüüpe (kuul- ja trummelprinterid jne.), mis tänapäeval on aga kasutusest kadunud.    Löögita printerid kasutavad kujutise tekitamiseks mitmesuguseid elektrofüüsilisi või –keemilisi protsesse (kuumutus, elektrograafia, trükivärvi pihustamine jne.).Laserprinterid töötavad umbes samal põhimõttel nagu koopiamasinad: terve leheküljetäis infot võetakse arvutist korraga printeri mällu, kantakse laserkiire abil elektrilaengutena metalltrumlile ja sealt elektrograafilisel meetodil värvipulbri ehk tooneriga paberile, millele värv kinnistatakse kuumutamisega. Kõige populaarsemad on firma Hewlett- Packard laserprinterid, neid valmistavad aga ka Panasonic, Epson, Lexmark, QMS ja Xerox.LED-printerid annavad sarnaselt. eelmistega korraga üle terve lehekülje, aga kasutavad trumli valgustamiseks laserkiire ja läätsesüsteemi asemel odavamaid valgusdioode. Seda tüüpi printereile on spetsialiseerunud OKI.Jugaprinterid ehk "tindipritsid" piserdavad vedelat trükivärvi paberile imepisikeste düüside kaudu. Vastavalt sellele, kas arvutist saadeti teele tekst või pilt, moodustuvad värvipunktidest tähemärkide või joonise kujundid.Nõelprinterid töötavad peaaegu samuti kui jugaprinterid, ainult et värvidüüside asemel on neil komplektist peentest nõeltest ja neid juhtivatest elektromagnetitest prindipea. Metallnõeltega "tulistatakse" värvilindi pihta, mille taga asub paber. Niisiis meenutab nõelprinter ka kirjutusmasinat, ainult tähetüüpide asemel moodustavad tähemärke teatud maatriksina paigutatud nõelte löögid.    Odavad 9 nõelast koosnevate prindipeadega maatriksprinterid on harilikult aeglasemad, kehvema prindikvaliteediga ja lärmakamad kui nende 24-nõelalised veidi kallimad sugulased. Nõelmaatriksprinterite tuntumad tootjad on Epson, Star, Brother, Panasonic ja OKI. NB! Nõelprintereid on igasuguse väljanägemisega, kuid alati leiate nende küljest suure ümmarguse nupu paberi käsitsi edasikerimiseks    Nii juga- kui ka maatriksprinter töötavad reakaupa, kandes värvi prindipea edasi-tagasi liikumisega risti tõmmatavale paberile. Suurema kirjaga tekstirida vajab prindipea mitmekordset üleliikumist.    Vähem kasutatava printerite rühma moodustavad termoprinterid, milles kujutis tekitatakse spetsiaalset temperatuuritundlikku paberit vajalikest punktidest kuumutades või värvainet kilelindilt harilikule paberile sulatades. Eriti head värviprinti pakuvad nn sublimatsiooniprinterid, milles aurustatud värvained imbuvad eripaberisse, aga see menetlus on väga kallis. Selliseid printereid toodab näiteks NEC.Õisprinter (Daisy-wheel)Printer, mis kasutab printimise elemendina plastikust või metallist printimisketast, mille moodustavad keskosast kiirtena väljaulatuvad vardakesed koos tipus asetseva sümboliga (sarnane kirjutusmasinas kasutatava tehnoloogiaga). 1970.a. ilmunud õisprinterite ketaspea

26

ehk õis sisaldab 96 kuni 130 tähetüüpi. Trükkimisel keeratakse ketast seni, kuni jõutakse vajaliku sümbolini ning see lüüakse pisikese löögihaamriga läbi tindilindi vastu paberit. Erinevate tähetüüpide jaoks on olemas erinevad kettad. Õisprinterid on väga aeglased (10- 75 tähte sekundis), kuid nende kvaliteet on võrreldav kõrgekvaliteedilise kirjutusmasinaga. Seda tüüpi printerid ei ole võimelised printima graafikat ja on enamasti väga müratekitavad

o maatriksprinter  (Dot matrix printer)

Nõelmaatriksprinteri tööpõhimõte on ülimalt lihtne: kirjutuspeas paiknevad nõelad löövad läbi värvilindi vastu paberit, tekitades sellega punktidest moodustatud kirjamärke. Nõelmaatriksprinterid jagunevad kaheks põhirühmaks: 9- ja 24-nõelased.Nõelmaatriksprinterite puhul on traditsioonilisteks trükikvaliteedi näitajateks kujunenud järgmised veidi ebamääraselt defineeritud terminid:

mustandikvaliteet (draft) liht- ehk normaalkvaliteet (near letter quality- NLQ) lahutusvõime kuni 240x216 dpi tähe- ehk esinduskvaliteet (letter quality -LQ) lahutusvõime kuni 360x360 dpi

    Selleks, et rahuldava kvaliteedi saamiseks printida nii suuri kui ka väikeseid tähti, vajatakse vähemalt 9x9- elemendiga maatriksit. Sellist maatriksit valmistada ja juhtida on keerukas, mistõttu praktikas kasutatakse 9 nõelast koosnevat veerumaatriksit, kus nõelad asetsevad kohakuti üksteise peal. Mida suurem on elementaarpunkte moodustav nõelmaatriks, seda parem on muidugi saadava kujutise kvaliteet. Kvaliteetsetes nõelmaatriksprinterites kasutatakse 24 nõela, mis harilikult paiknevad kolmes üksteise suhtes nihutatud 8- nõelases veerus. Suurendada märke moodustavate nõelte arvu suvalisel määral pole siiski võimalik, sest see teeb juhtimise liiga keerukaks ja ühtlasi suureneb prindipea mass, põhjustades prinitmiskiiruse märgatava languse.    9- nõelalised maatriksprinterid kasutavad mustandikvaliteediga töös harilikult tähemaatriksit 9x9 või 9x12, NLQ-kvaliteedi korral maatriksit 18x24 punkti. Nende lahutusvõime ulatub 240x216 dpi-ni ja tähekvaliteediga LQ-printi nad ei võimalda.    24-nõelastel maatriksprinteritel kasutatakse tavaliselt maatriksit 24x12 (mustandikvaliteet) või 24x36 (LQ-kvaliteet). Nende prindikvaliteet on 9- nõelaste omast parem ja lahutusvõime ulatub 360x360 punktini tolli kohta (dpi).    Üheks võimaluseks prindikiiruse tõstmisel on mitme (kahe) prindipea (nõelakomplekti) üheaegne kasutamine, mis on ka realiseeritud mõnedes ülikiiretes mudelites, kus saavutatakse töökiirus üle 1000 märgi sekundis. Tavaliste 9- ja 24- nõelase printeri väljastuskiirus on suurusjärgus 200-300 märki/s.    Lööktehnoloogial on hulk eeliseid. Trükijälg on arhiveerimiskindel ja printeri hind väga madal. Tehnoloogia sobib eriti hästi mitmeosaliste ja isekopeeruvate formularide printimiseks, kusjuures koopiate arv võib ulatuda 7-8-ni. Nõelmaatriksprinterid pole andmekandja suhtes nõudlikud - kõlbab peaaegu igasugune paber. Printida saab ka ümbrikke, lipikuid, kleebiseid, etikette ja kasutada lõõts- või rullpaberit. Põhimõtteliselt võib printida mitte ainult teksti (kirjatähti ja numbreid), vaid ka graafikat, kuigi viimasel juhul töökiirus langeb ja kvaliteet pole eriti kõrge.    Mõned nõelmaatriksprinterid võimaldavad ka värviprintimist, kasutades seejuures mitmevärvilist (neljavärvilist) värvilinti.    Nõelmaatriksprinterite tuntud puuduseks on nende suhteliselt tagasihoidlik prindikvaliteet (piiratud lahutusvõime) ja kõrge müratase, mis märgatavalt ületab juga- ja laserprinterite oma.

27

Vastupidiselt üldlevinud arvamusele nende töökiirus, eriti teksti printides ei jää aga palju alla juga- ja laserprinterite omale, mõnel juhul isegi ületades seda.    Kõik nõelmaatriksprinterid jagatakse võlli pikkuse (prindi laiuse) järgi kolme rühma: lühikese, pika ja poolpika võlliga printerid. Esimesel juhul on printer ette nähtud tööks maksimaalselt A4- püstformaadiga prindilaiuse juures kuni 257 mm (10- punktises kirjas 80 märki reas), teisel juhul -A3-põikformaadiga prindilaiuse juures kuni 420 mm (10 punktises kirjas 136 märki reas). Poolpikk võll vastab A4 põikformaadile (297-305 mm). Kuna Põhja-Ameerikas kasutatakse veidi erinevaid paberiformaate (legal, letter jne.), siis tegelikult on enamik printerite kommertsmudeleid kohandatud tööks nendega ja otseselt A4- le sobitatud printereid kohtame harva.    Vanemate printerimudelite tavaliseks koostisosaks on 1-3 DIP-lülitit, mis paiknevad korpuse sees ja mille abil saab muuta printeri põhiparameetreid: prindi laiust, kasutatavaid märgistikke, järjestikliidese ülekandeparameetreid (boodisagedust, andme- ja stoppbittide arvu, paarsuskontrolli ja kätlemise varianti jne.), puhvermälu kasutamisviisi jms. Uuemates mudelites on need harilikult asendatud elektrooniliste DIP-lülititega (EDS) ning printeri konfigureerimist võib läbi viia otse esipaneelilt mitmefunktsionaalsete sõrmiste abil.    Lisaks elektroonilistele juhtsõrmistele on nõelprinteritel ka mitu mehaanilist juhtimiselementi: võlli pööramisnupp (platen knob) ja paberivabastuskang (paper release lever). Viimasel on harilikult kaks asendit- üks tavaliste paberipoognate hõõrdveoks ja teine pidevakujulise lintpaberi (coninuous paper) kasutamiseks.    Pidevakujuline perfopaber (lõõtspaber) oli varasemate printerite peamiseks alusmaterjaliks ja seetõttu kuulusid perfoveokid (tractor) nende põhivarustuse juurde. Kaasajal kasutatakse vedavat (pull tractor) või tõukavat (push tractor) veokit suhteliselt harva; nad on enamasti tellitava lisaseadmestiku koosseisus. Seejuures on printerid varustatud nn. parkimisfunktsiooniga, mis tähendab võimalust üheaegselt (vaheldumisi) kasutada nii perforeeritud lõõtspaberit- kui ka tavalisi lehepoognaid, ilma et printerit oleks vaja seisma panna, ümber laadida ja taaskäivitada.    Nõelmaatriksprinterite peamiseks juhtimiskeeleks on kujunenud Epsoni ESC/P, mida praktiliselt emuleerivad (modelleerivad) kõik teistegi firmade printerid. ESC/P-l on tegelikult 2 põhivarianti, üks 9-(FX) ja teine 24-nõelaste(LQ) printerite jaoks (vastavalt ESC/P ja ESC/P2). Juhtimiskeele ESC/P põhivariant sisaldab 80 käsku. Mõningal määral on levinud ka IBM Proprinteri juhtimiskeel mitmes variandis (X24/24E), mida samuti paljud teised maatriksprinterid suudavad emuleerida.   Nõelmaatriksprinteritesse sisseehitatud (residentsete) kirjaliikide (fontide) arv võib ulatuda paari-kolmekümneni. Odavamatel mudelitel on kolmeks peamiseks kirjatüübiks draft (Sans serif), NLQ Roman ja NLQ Sans serif. Lisaks sellele saab kasutada nende põhiliste kirjatüüpide mitmesuguseid variatsioone nii prinditiheduse (tähesammu) kui ka kirjalaadi (kald-, paks-, kontuur-, allakriipsutatud kiri jne) osas.    Mis puutub märgistikesse (character sets), siis võib see ulatuda paarist põhimärgistikust enam kui 30 kooditabelini. Enamik printereid on varustatud sisseehitatud rahvuslike märgistike lisamise võimalusega (tavaliselt 10-15 lisamärki kooditabelile 850). Mõned printerid sisaldavad ka eesti tähtedega kooditabelit (kooditabeli 850 täiendus tähtedega Š, š, Ž, ž)

o laserprinter (Laser Printer)

Printeri keskseks osaks on valgustundliku (tavaliselt seleeni või kadmiumi ühenditest koosneva) kihiga kaetud pöörlev trummel (vaata joonise keskosa). Laadimisseadme abil laetakse fototundlik kiht elektrilaenguga, mille järel talletatakse prinditav kujutis trumlile. Kõigepealt toimub lehepoogna (kaadri) standartsete elementide eksponeerimine ja seejärel

28

algab prinditava info skaneerimine reakaupa laserseadme abil.    Laserkiirt moduleeritakse täpses vastavuses salvestatava infoga, mille tulemusel trumlile moodustub elektriline jäljend (potensiaalireljeef) originaalist. Nendelt aladelt, kuhu kiir langeb, elektriline laeng kas täielikult või osaliselt kõrvaldatakse. Trumli valgustundlikule pinnale moodustub nähtamatu (latentne) kujutis.    Laserkiire skaneerimine toimub pöörleva peegelprisma abil.

Akustooptilises kallutussüsteemis kasutatakse piesoelektrilist muundit, mida juhitakse kõrgsagedusgeneraatori abil.    Lasereksponeerimise tagajärjel saadud peidetud kujutise ilmutamine toimub seejärel tooneripulbri abil sõlmes 10 (joonis 1). Tooneripulber, mis sisaldab grafiiti (tahma) ja magnetilisi osakesi, kantakse trumli pinnale magnetharjade abil.    Tegelik printimine paberile toimub punktis 6. See ülekanne teostatakse elektrostaatilises väljas. Siirdekoroona abil laetakse paber kõrgemale laengule, kui seda on trumli pind ja värvaine osakesed siirduvad paberi vastavatele aladele. Selleks, et tooneripulbrit paberile kinnistada, on vajalik selle termiline töötlus kuumutuselementidega 1 (juhikut kuumutatakse kuni 110 ja rulle lokaalselt kuni 140 kraadini).    Viimase etapina toimub valgustundliku trumli ettevalmistamine järgmise tsükli läbiviimiseks. Selleks kustutatakse potensiaalireljeef (antud juhul lambi 2 abil) ja trummel puhastatakse pulbri jälgedest mehhanismi 3 abil.

Laserprinterite nõrgaks kohaks on skaneerimissõlm pidevas liikumises oleva pöörleva prismaga. Seetõttu on välja arendatud teisi lahendusi, kus laseroptilise süsteemi asemel kasutatakse vedelkristall- või valgusdioodmaatriksit. Tunduvalt populaarsemaks on kujunenud LED-printerid, milliste põhiosaks on paberilaiune liistal valgusdioodmaatriksiga. Valgusdioodprinteris on ühe valgusallika (laseri) asemel tuhandeid üliväikseid valgusdioode, mille arv võrdub skaneerimisjoone rasterpunktide koguarvuga. Prinditavale kujutisele vastavate signaalide abil toimub valgusdioodide süütamine ning kustutamine ja seega valgustundliku kihiga kaetud pöörleva trumli valgustamine. Muus osas on LED-printer sarnane tavalise laserprinteriga, kuid keerukate ja kallite liikuvate optikaelementide puudumise tõttu on tema hind märgatavalt madalam laserprinteri omast.    Laser- ja LED- printereid nimetatakse ka lehe(külg) printeriteks, kus lehepoogna sisu talletamiseks vajatakse üsna suuri mälumahtusid (vähemalt 1 MB). Uuemates nn. Windowsi GDI –printerites kasutatakse selleks põhiarvuti enda mäluseadet. gasugune väljaprint rajaneb punktide tekitamisel paberile. Kui kirjamärk on määratletud kontuurjoonte või pilt (jooni) joonte algus-, lõpp- ka keskpunktide abil, siis tuleb need kujundid muuta punktideks. Seda protseduuri nimetatakse rastri tekitamsieks (rasterdamiseks).    Printeri draiver on programm, mis tegelikult rasterdab prinditava lehekülje. Arvutipordilt saabub printerile info prinditava punkti asukohast ja värvusest. Seda meetodit nimetatakse ka tarkvaraliseks RIP-iks (rastriprotsessoriks). Programmiline rasterdamine on seda kiirem, mida

29

suurem on personaalarvuti jõudlus ja tema mäluressurss. Kui rasterdamine toimub nn. taustprogrammina, siis see programm, millest prinditakse, vabaneb mne sekundiga. WIN-printerite kogu juhtimine  toimub WPS-aknas, põhimõtteliselt printer mingeid nuppe-klahve ja inikaatoreid ei vaja. Kahesuunaline rööpliides võimaldab arvutisse saata igasuguseid andmeid tema oleku kohta. printeri ülimalt lihtsustatud elektroonikalülitus lubab tunduvalt vähendada vajalikku võimsustarvet, lihtsustada toiteplokki, kaotada isegi jahutusventilaatori, mis tunduvalt alandab printeri mürataset.

o jugaprinter (Inkjet Printer)

Viimaste aastate üheks kõige populaarsemaks prinditehnoloogiaks on kujunenud tindipritsimis- ehk jugatehnoloogia, millele veel 90. Aastate alguses ennustati peatset kadu. Tehnoloogia rajaneb prindipeale, mis sisaldab suure arvu ülipeenikesi düüse, mille kaudu paberile juhitakse vedelat värvi (tinti). Kuna jugaprinterid kasutavad tinditaolist vedelat värvi, siis nimetatakse neid ka tindipritsideks. Prindipea koosneb piesoelektrilisest materjalist torukestest, mis täidetakse tindihoidla kaudu. Juhtimispinge rakendamisel soovitud torukesele toimub selle läbimõõdu järsk vähenemine ja tilgakese düüsist väljapritsimine paberile. Sellele järgneb torukese uuestitäitumine tindiga hõrenemise toimel tindihoidla kaudu.    Kirjeldatud tööpõhimõte vastab Epsoni poolt väljatöötatud piesomeetodile, mis on eriti sobivaks osutunud värviprinterites, kus samas prindipeas kasutatakse nelja eri värvi tindiga täidetud düüsikest.    Teised jugaprinterite valmistajad kasutavad piesokristalli asemel soojenduselemente (termilised tindipritsid), mille toimel tint hakkab aurustuma ja eraldub mullidena. Seda Canoni poolt väljatöötatud aurumullide meetodit (Bubble Jet tehnoloogia) kasutab enamik teisigi tootjaid, kuna Hewlett-Packardi printerites on rakendatud nn. InkJet- meetodit. Kahe viimase tehnoloogia peamiseks erinevuseks on soojenduselemendi asukoht: Canonil paikneb see tindi väljalaskeava taga, mis väidetavasti lubab düüse paigutada üksteisele lähemale, kuid pole nii kiires, kui HP lahendus. Epsoni tehnoloogia eeliseks peetakse igasuguste satelliitpritsmete puudumist ja seega vähemalt teoreetiliselt kõrgemat prindikvaliteeti.    Jugaprinterite prindipeas paikneb tavaliselt 48-128 tindiotsikut (tindituubi). Tindiotsikud on paigutatud rivisse vahekauguse 1/360 tolli või veelgi vähem, mis tagab vajaliku kõrge lahutusvõime.    Seda tüüpi prinditehnoloogia peamiseks puuduseks on peetud prindipea otsikute kuivamist, ummistumist ja üleliigset tindi laialipritsimist, mida aga ajapikku on õnnestunud tunduvalt vähendada. Sama võib öelda ka prindikoopiate arhiveerimisprobleemi kohta. Küsimus on nimelt selles, et algselt vedel trükivärv kipub lahustuma vees ja trükikoopia võib veepritsmete toimel rikneda. Sel põhjusel jugaprintereid tootvad firmad soovitavad eriliste paberisortide kasutamist. Sama nõue kehtib ka värviprintimise puhul.

Nagu mainitud, jugaprinteri trükikvaliteet sõltub tugevasti paberi valikust, sest värvaine (tint) on paberile kandmise hetkel märjas olekus. Selle tulemusena võib esineda kahte tüüpi defekte:

1. Sulgimine (feathering), mis seisneb trükimärkide ebapuhastes servades,2. Värvide kokkuvalgumine (bleeding), mida iseloomustab värvide kokkujooks nende

kokkupuutepindadel

    Maksimaalse prindikvaliteedi tagab ikkagi vaid erilise paberisordi kasutamine, eeldades seejuures, et eripaberi kasutamine on määratletud ka arvutiprogrammis. Seda tuleb teha Windowsis või mingis muus vastavas operatsioonisüsteemis koos printeri talitlusparameetrite täpsustamisega.

30

    Konstruktiivse lahenduse seisukohalt võib jugaprinterite mudeleid jagada kahte suurde rühma: ühe (mustvalge või värviline) või kahe (mustvalge ja värviline) kirjutuspeaga. Viimased võimaldavad hõlpsasti üle minna mustvalgelt värvilisele, kuigi selle hinnaks on seadme teatav kallinemine. Ühe kirjutuspeaga printerites tuleb selleks mustvalge kirjutuspea vahetada värvilisega või vastupidi.    Jugaprinterite teatavaks eriliigiks võib lugeda nn. Vahaprintereid, kus vedela trükivärvi (tindi) asemel kasutatakse tahket tinti e.vaha (solid ink, wax). Sellist tehnoloogiat kasutab näiteks Tektronix oma kõige kallimates värvimudelites.    Tahke värvaine ei imandu paberi sisemistesse kiududesse, vaid kuivab selle pinnale. Saadavad värvitoonid on tugevamad ja kirkamad kui tavalistes jugaprinterites ja alusmaterjaliks kõlbab peaaegu igasugune paberisort. Kilede puhul pole värvid siisiki nii kirkad kui muude tehnoloogiate puhul.

o Värviprinterid

Tervet rida monokroomseid printereid (peamiselt jugaprintereid) saab prindipea (prindikasseti) vahetamisega muuta värviprinteriks. Mustvalgel printimisel tuleb eristada halltoonesitust (gray scaling)- musta ja valge vaheliste pidevate üleminekute tekitamist pooltoonide abil, kusjuures iga punkti esitatakse 4-8 bitiga ja virvtoonimist (dithering)- näiliste pooltoonide (halltoonide) tekitamist punktimustri tiheduse ja muude parameetrite (pooltoonelementide kaldenurga ja pikselite sisselülitamisjärjestuse) varieerimise abil.

  Värviline print on mustvalgest tunduvalt kallim, kuna nõuab eri värve ja kvaliteetse tulemuse saavutamiseks head paberit. Tuleb arvestada ka sellega, et värviline töö valmib analoogilise mustvalgega võrreldes mitu korda pikema prindiaja jooksul.

värvilaserprinterite tööpõhimõte ei erine oluliselt monokroomsete laserprinterite omast. Laserkiirega moodustatakse valgustundliku kihiga kaetud trumli pinnale igale osavärvile vastav kujutis (CMYK-mudel). Trumli pinnale kujunenud elektrilaeng kogub pulbrilise värvaine (tooneri) kujutise reljeefile vastavatesse kohtadesse ja moodustunud kujutis siirdatakse edasi erilise rihma või trumli pinnale. Kui kõik osavärvid on üle kantud, toimub prinditava kujutise ülekanne paberile ja selle fikseerimine kuumutamise teel samal viisil, kui monokroomprinterites. Kõikides värvilaserprinterites saab kasutada tavalist paberit, kuigi eelistatum on värvipaljundusmasinate jaoks valmistatud spetsiaalne läikpaber. Enamik neist võimaldab printida ka paberi mõlemale poolele.

Plotter

-on arvuti välisseade arvjooniste, diagrammide, kaartide, arhitektuurijooniste jms. loomiseks. Erinevus printerist seisneb selles, et loodava kujutise jooned ei koosne mitte üksikpunktidest (punktiirist), vaid tõmmatakse pideva joonena.

    Kuna kaasaegsed printerid suudavad edukalt plotterifunktsioone täita (kasutades isegi samu juhtimiskeeli), siis klassikaliste suleplotterite kasutusala on viimastel aastatel oluliselt ahenenud. Siiski vajatakse neid juhtudel, kui küsimuse all on suur täpsus, suureformaadilised koopiad (A0-A2) ning koopiate niiskus- ja arhiveerimiskindluse tagamine. Tänapäeval on

31

mitmed firmad suleplotterite valmistamisest loobunud ja valmistavad tindiprits-, termo- ja laserplottereid.

    Plotter on vähem levinud, kui printerid, kuid eks siin on ka oma kindlad põhjused: kui arvutit ei kasutata joonestamiseks ega joonistamiseks, siis osutub plotter liigseks, seda enam, et tegu pole sugugi odava välisseadmega. Siiski tuleb märkida, et kui arvuti põhikasutajaks on kas konstruktor, disainer, või mõni teine joonestamisega sageli tegelev inimene, on plotter lausa hädavajalik. Plotteri tööpõhimõte on üks kahest: esimesel juhul liigutatakse kirjutuspead, paberi kohal liikuval siinil, mis võimaldab "pliiatsit" kirjutusasendis hoida ja "pliiatsit" vahetada; uuem tehnoloogia kasutab aga tindipritsile lähedast tehnoloogiat.

    Plotterile on kättesaadav iga joonestusvälja punkt ning kelgu ja siini liigutamisega on võimalik tõmmata joon läbi iga punkti. Erilist rolli mängivad mootorid, mis juhivad siini ja kelgu liikumist. Peavad nad ju sooritama üliväikseid nihkeid, sest sellest sõltub joonise täpsus. Plotteritel on võimalik samm 0,025 mm või isegi alla selle. Töös kasutatakse kõige sagedamini 0,1 mm sammu. Reeglina töötavad plotterid siiski vertikaal- ja horisontaalsuuunas vaheldumisi, nii et kaldjoon sarnaneb trepiga ja ringjoon ketassaega, kuid mida väiksem on ühiksamm, seda väiksemad on sakid. Uutel plotteritel pole sakke palja silmaga näha. Taolist täpsust on aga üldjuhul vaja vaid plotteritel, millel on väike joonisepind (A3-formaadis). Suurtel plotteritel, näiteks õmblusvabrikutes, mille tööpind võib ulatuda 10x1,5 m ei ole nii suur täpsus vajalik. Tähtsam on siin kiirus. Väiksematel plotteritel on vertikaal- või horisontaaljoone tõmbamise kiirus umbes 30…70 cm/s, suurematel loomulikult rohkem, Plotter suudab väljastada ka tähti, numbreid ja muid sümboleid, kuid need kõik jäävad tema jaoks samasugusteks joonisteks nagu näiteks ellips või kolmnurk. On ka plottereid, mille sulg liigub vaid ühes suunas, teises suunas liigutatakse aga paberit. Taolise lahendusega on tavaliselt suurt formaati kasutavad plotterid.

    Joonestusvahendid on väga mitmesugused. Mõnele plotterile kõlbab pastapliiatski, kuid tavaliselt kasutatakse spetsiaalseid joonestuspliiatseid. Reeglina on pliiatsid mitmes värvitoonis (6..8) ja seetõttu on võimalik ka joonis koostada mitmevärvilisena. Pliiatsivahetuse teeb plotter ise- viib eelmise oma kohale ja haarab uue. On ka ühevärvilisi plottereid.

Skanner

Skanner on arvuti väline lisaseade/optiline instrument, mis on mõeldud valmisteksti ja –piltide sisestamiseks arvutisse/digitaalsele kujule viimiseks. Jaotades kujundi sadadeks eraldi punktideks (või pikseliteks) muundab skanner selle mõistetavaks arvuti jaoks, mis siis tarkvara abil esitab skaneeritava pildi arvuti ekraanil. Skanneril on funktsionaalne sarnasus kserokoopiaaparaadi lugemisseadmega. Kui koopiate puhul loetu kantakse kohe paberile, siis antud juhul antakse võimalus kujutist redigeerida, seda kärpida või midagi lisada. Teksti tuvastamiseks kasutab skanner optilist tärgituvastust (OCR- optival character recognition). Seega saab skanneri kasutaja sisestada näiteks oma kirjatöö illustratsioonid ja valmiskirjutatud tekstid arvutisse, seal tekste töödelda, muuta ðrifti, paigutada illustratsioonid sobivatesse kohtadesse ja seejärel välja trükkida.    Skanner on umbes arvutiploki suurune pealt ülestõstetava kaanega seade. Kaane all on klaaspind, millele “kujutis allapoole” asetatakse sisestatav dokument. Kaas suletakse ja skanner valgustab paberilehte ja loeb täpp-täpilt sisse kogu paberil oleva kujutise ning edastab selle arvutile.    On olemas ka käsiskannerid, mida kasutaja veab mööda skaneeritavat kujutist. Need

32

skannerid on väiksemad, odavamad ja edastatav kujutis on madalama kvaliteediga.    Nimetus “skanner” tuleneb ingliskeelsest sõnast scan, mis tähendab “silmi millestki üle libistama, üksikasjalikult vaatlema, täpselt uurima, pilti täppideks lahutama”.    Kõikidel sellesse kategooriasse kuuluvatel seadmetel on ühesugune tööpõhimõte: nad loevad infot objektide heledus-tumeduse ja värvuse kompamise teel, kasutades ülitundlikke sensoreid.Pildi-tekstiskannerites viiakse kombatav originaalpilt punkthaaval rasterkujutisena arvuti mällu, värviskannerites värvikujutisena. Kui skanneri sensor on “sisse tõmmatud” pildipunkti kohta käiva info, liigub ta edasi järgmisele, kuni kogu dokument on loetud. See protsess on väga kiire, kogu algdokumendi skaneerimiseks kulub ainult paar sekundit.    Skaneerimisprotsessi mehaanika sõltub konkreetse mudeli tüübist. Kõik skannerid kasutavad valgusallikat ja vahendeid sensori (või peegli, mille abil valgus juhitakse sensorile) liigutamiseks algdokumendi kohal (või vastupidi) ning sisaldavad elektroonikalülitust, mis muundab hõlvatud info digitaalkujule.

Modem (Modem)

Hulk arvuteid, mis asuvad üksteisest kaugel, saavad olla omavahel ühenduses telefoniliinide kaudu juhul, kui nad on modemi abil ühendatud arvutivõrguga. Modem on arvutit telefoniliiiga ühendav seade, mis saatja poolel muudab arvuti poolt saadetud digitaalsignaalid tavalises telefoniliinis edastatavateks helisignaalideks ja vastuvõtja poolel muudab need helisignaalid uuesti digitaalseteks. Esimest tegevust nimetatakse moduleerimiseks, teist aga demoduleerimiseks. Nende sõnade esitähtedest ongi modem oma nime saanud. Algupäraselt mõistetigi modemi all seadet, mis moduleerib digitaalset infot, et seda oleks võimalik üle kanda mõne analoogkanali kaudu. Selleks kanaliks sobib mitut tüüpi kaabeldus, telefonivõrk või raadiolained. Loodud on isegi seadmed, mis võimaldavad digitaalsidet läbi tavalise elektrivõrgu. Kitsamas mõttes räägitakse modemitest, kui seadmetest, mis võimaldavad infoefastust telefonivõrgu kaudu. Tänapäeval ei ole aga seade, mida kõnekeeles nimetatakse modemiks, enam lihtsalt modulaator/demodulaator. Nendes seadmetes on tavaliselt lisaks modulaator/ demodulaatoritele ka mitmesugust lisaaparatuuri - telefonivõrgu kutsungsignaali detektorid, toon ja pulssvalimise seadmed, käsukeel arvuti ja modemi vaheliseks suhtlemiseks, mälu konfiguratsiooniparameetrite säilitamiseks ja muud. Modemi erikujuks on akkustiline sidesti (acoustic coupler), mille abil digitaalsignaalid muundatakse akustiliste helide jadaks, mis võetakse vastu telefoniaparaadi mikrofoniga ja vastuvõtuploolel muundatakse kuularikapsli kaudu uuesti digitaalseteks.   Kui akustilist sidestit kasutatakse tänapäeval ainult erijuhtudel (näiteks siis, kui telefenijuhe on jäigalt kinnitatud seina külge või välitingimustes), siis modemite kasutusvaldkond on ainult laienenud seoses arvutivõrkukde (sealhulgas Interneti) massilise levikuga.    Sõltuval adnmesideviisidest võib modemis jaotada asünkroonseteks ja sünkroonseteks. Klassikalised modemitüübid töötavad enamasti asünkroonselt, kusjuures andmebittide arv varieerub sõltuvalt valitud tööviisiisist 5-st kuni 8-ni. Peale selle lisatakse tavaliselt igale sõnale veel üks bitt paarsuskontrolliks. Kui kasutatakse paarisarvulisuskontrolli (even parity check), siis see bitt asetatakse ühte, kui on vaja teha 8-bitises koodisõnas ühtede arv paarisarvuks. Kui aga kasutatakse paarituarvulisuskontrolli (odd parity check), siis see bitt viiakse ühte juhul, kui ühtede koguarv ülejäänud koodisõnas pole paaritu arv. Paarsuskontroll on siiski kõige elementaarsem veaavastamismeetod ja uuemates modemites kasutatakse palju keerukamaid veaavastus- ja korrigeerimisalgoritme.    Asünkroonsete modemite puhul puudub edastatavates andmeüksustes eriline takteeriv (sünkroniseeriv) signaal, mis määraks iga biti täpset ajalist paiknemist. Sünkroniseerimiseks kasutatakse stardibitti, mis vastuvõtjas käivitab taktgeneraatori, mille ajastus on aga sõltumatu

33

saabuvate andmebittide tegelikust kordumissagedusest. Stardibiti järgsete andmebittide lugemine toimub kokkulepitud edastussageduse taktis andmebiti impulsside oletatava keskpaiga läheduses. Tegelikkuses võivad saatja ja vastuvõtja takteerimissagedused märgatavalt erineda ja tulemuseks on vigade teke lugemisel.    Paljudes uuemates modemites rakendatakse sünkroonedastust, mille puhul takteeriv signaal saabub koos andmetega, et tagada saatja ja vastuvõtja töö täielikku sünkroniseerimist. Puuduvad stardi- ja stopp-bitid, kuid selle asemel on igale andmeblokile lisatud erikoodid sünkroniseerimise tagamiseks. Andmebloki pikkuse määrab puhvermälu, kus seda hoitakse enne väljasaatmist (seda kasutatakse ka vastuvõtupoolel). Asünkroonedastusel puhvrit ei vajata, sest iga koodisõna (märk) saadetakse kohe arvutist edasi. Sünkroonedastusel salvestatakse puhvermällu hulk koodisõnu, mis seejärel saadetakse välja pideva blokina konstantse kordussageduse juures. Tavaliselt on andmebloki alguses mitu sünkroniseerivat koodisõna ja bloki lõpus lõpukood. Sõnum võib sisaldada veel kontrollsummat, sihtaadressi koodi ja muid täiendavaid bitte sõltuvalt ülekandeprotokolli iseloomust.    Vahel kasutatakse ka isokroonedastust, mis on segu mõlemast eelvaadeldud edastusviisit. Üksikmärke (koodisõnu) eraldatakse nagu asünkroonedastusel stardi- ja stopp-bittidega, kuid märkide vahekaugused oon rangelt ajastatud (sünkroniseeritud).

Veaparandusprotokollid

Modemside kasutamisel on alati probleeme tekitanud telefoniliinides tekkivad häired. Näiteks terminaliprogrammide kasutamine võib mõnikord rohkete häirete tõttu sootuks võimatuks osutuda. Probleemi aitavad lahendada sisseehitatud veaparandusprotokollidega modemid, mis tagavad telefoniliinis häirete poolt rikutud andmete tuvastamise ja uuestisaatmise. Kui modemi andmeedastuse jooksul avastatakse viga, siis reeglina toimub selle edastustsükli kordamine niimitu korda, kuni viga enam ei teki (või automaatne üleminek madalamale kiirusele). Veakontroll toimub selliselt, et koos kasuliku infoga (mingist hulgast baitidest koosneva paketiga) saadetakse kontrollsumma (selle paketi kõigi baitide summa 8 viimast bitti). Sihtkohas arvutab teine modem kontrollsumma uuesti. Kui edastatud ja ise arvutatud kontrollsumma on võrdsed, on info "eeldatavasti" veatult kohale jõudnud. Levinud on kaks protokolli:* MNP - (Microcom Networking Protocol) klassid 1 kuni 4, mis on välja töötatud firma Microcom Systems poolt ja mida kasutatakse paljudes modemites.* V.42 - ITU-T standard, mis kirjeldab LAP-M veaparandusprotokolli. Et tagada ühilduvust MNP protokolle kasutavate modemitega, siis kirjeldab standard ka alternatiivse veaparandusprotokolli, mis on sarnane MNP klassides 2 kuni 4 kirjeldatuga. Seega on V.42 modem võimeline töötama nii V.42 kui ka MNP modemitega. Enamus uuemaid modemeid vastab sellele standardile.

Esimestel 300 ja 1200 boodistel modemitel veaparandust ei olnud. Enamikel 2400 boodistel oli see juba olemas, kõigi kiiremate (>9600) modemite puhul on veaparandus lausa kohustuslik, sest nii suure kiirusega andmeid edastades, juhtub vigu väga sageli.

Modulatsioon

Selleks et digitaalsignaale üle kanda analoogtelefonivõrgu suhteliselt kitsas sagedusribas (300-3400 Hz), tuleb nad muundada (moduleerida) kujule, mis vastab selle ülekanderiba parameeritele.Definitsioon: modulatsioon on protsess ühe signaali (kahendsignaali) mõjutamiseks teise (moduleeriva) signaaliga.

34

Digitaalandmete edastamiseks analoogtelefonikanalis tuleb seega 300-3400 Hz sagedusribas olevat kandesagedust mõjutada digitaalandmetega (nulli ja ühe väärtustega). Lihtsamalt öeldes- modemi ülesandeks on esitada bitijada sellisel kujul, et saaks selle piiratud sagedusribaga helikanalist läbi suruda. Inimkõrv suudab telefonikõnest raginad ja kahinad välja filtreerida, kuid bitid peavad olema kodeeritud nii, et need ilma moonutamata sihtmärgini jõuaksid. Selleks tarvitatakse mitmesuguseid kavalaid modulatsioonimeetodeid. Amplituudmodulatsioon (AM)    Amplituudmodulatsiooni korral muudetakse kandesageduse amplituudi vastavuses moduleeriva signaaliga. Nagu näha jooniselt, varieerub sel juhul kandesageduse amplituud nullist kuni maksimumväärtuseni.Sagedusmodulatsioon (FM- Frequence Modulation)    Sagedusmodulatsiooni korral mõjutab moduleeriv signaal kandelaine sagedust. Nagu näha jooniselt, kandesageduse nihe madalamale sagedusele vastab nullile ja nihe kõrgemale sagedusele- ühele. Seda modulatsiooni nimetakse ka nihkesagedusega moduleerimiseks (FSK- Frequence Shift Keying) asjaolu tõttu, et moduleeriv signaal on digitaalne (diskreetsete väärtustega). FSK-modulatsiooni kasutati kõigis varasemates modemites.Faasimodulatsioon (PM-Phase Modulation)   Faasimodulatsiooni korral mõjutab moduleeriv signaal kandesageduse faasi. Faas on teatavasti kahe võnkumise suhteline asupaik üksteise suhtes teatud kindlal ajahetkel. Eelmisel joonisel on näha, kuidas faasi nihutatakse iga loogilise ühe korral, kuid jäetakse muutmata loogiliste nullide korral. Kuna tegemist on digitaalse moduleeriva signaaliga, siis on levinud nimetus hikefaasiga modulatsioon (PSK- Phase Shifted Keying). Ülekandeliinile saadetud signaali faasi ei mõõdeta tavaliselt absoluutväärtustes, vaid määratakse kindlaks selle suhteline asukoht eelmise biti faasi suhtes.    Modemi teiseks põhifunktsiooniks on demoduleerimine, see tähendab digitaalsignaali algkuju taastamine selle moduleeritud kujult. Selleks kasutatakse vastavaid detekteerimis- ja filtreerimislülitusi, mis on tundlikud kandesignaali amplituudi, sageduse või faasi muutustele.    Kaasaegsetes modemites kasutatakse peamiselt faasinihkega modulatsiooni või seda kombineeritult koos amplituudmodulatsiooniga. Sellise sagamodulatsiooni korral igale eri faasiga signaaliühikule vastab mitu eri suurusega amplituudi. Kui faasinihet muuta näiteks 45 kraadi kaupa, siis saadakse 8 faasi suurust, mis koos kahe amplituudiväärtusega annab 16 eri väärtust (nn. kvadratuurmodulatsioon). Kõige uuemates modemites kasutatakse kvadratuudmodulatsiooni teisendeid, kus on tagatud veaavastamine ja parandamine.

Pakkimine

Pakkimine vähendab telefoniliinide kaudu edastatavate andmete mahtu ja seetöttu suurendab andmeedastuskiirust. Levinud on kaks protokolli:MNP klass 5 - kasutatav koos MNP klass 4 veaparandusprotokolliga. Edastatavate andmete maht võib väheneda kuni kaks korda.V.42bis - kasutatav koos V.42 veaparandusprotokolliga. Edastatavate andmete maht võib väheneda kuni neli korda. See protokoll on eelmisega võrreldes ka intelligentsem, kuna ta suudab käigult määrata, kas pakkimisest saadav kasu on piisav, et selle peale aega raisata. Kui näiteks nihutada modemiga *.ar faili, siis pole täiendaval pakkimisel kindlasti mõtet. MNP5 protokoll on tunduvalt lollim, ta üritab pakkida ka faile, mis on juba pakitud. See loomulikult ei õnnestu ning lõppkokkuvõttes raiskab MNP5 modem hulk aega lootusetu tegevuse peale. Siit soovitus: kui tirite pakitud faile, keelake modemil MNP5 kompressioon ära.

Pakkimise efektiivsus sõltub edastatavate andmete tüübist, olles suurim tekstifailide ja

35

andmebaaside puhul. Eelnevalt arvutis pakitud failide puhul modemisisene pakkimine enam efekti ei oma ja MNP 5 puhul võib isegi suurendab edastatavate andmete mahtu.

MNP ehk pikemalt Microcom Networking Protocol on firma Microcom Systems poolt välja töötatud kommunikatsiooniprotokoll, mis toetab nii interaktiivset, kui ka failivahetussidet. MNP on välja töötatud vastavalt ISO (International Organization for Standardization) standardile Open System Interconnection (OSI) Network Reference Model.

Analoog liides (Analog Interface)o analoog-digitaal muundur (Analog to Digital Conversion)

Analoog-digitaal muundur on andmeid analoogesitusest (näiteks temperatuur, rõhk, kiirendus) digitaalesitusse muundav elektroonikaskeem

o digital-analoog muundur (Digital to Analog Conversion) UPS- Uninterruptible power supply

UPS (uninterruptible power supply) on patareidega kast, mis hoolitseb selle eest, et arvutil pidevalt voolu oleks ning äkitsed pingekõikumised liiga ei teeks. Enamik hetkelisi voolukatkestusi on sellised, millest arvutid omal jõul üle saavad, aga kord paar aastas kipub ikka pahasti minema, st arvuti lülitatakse magusal tööajal korraks välja.UPS on mõeldud väikeste voolukatkestuste "üle elamiseks" ja kui UPSi akud on lõplikult tühjaks saanud, ei suuda ka tema imet teha. UPSist peaks abi olema 10-15 minutit, mille jooksul jõutakse kõrvaldada enamus suuremaid voolukatkestusi (keskmiselt kulub selleks 6-8 min.). Lühikatkestuste ajale on juurde arvestatud väike varu, mis kulub andmete salvestamiseks, programmide sulgemiseks ja arvuti väljalülitamiseks juhul, kui on tegu pikema voolukatkestusega. Lihtsalt kehva voolu puhul (voolutõuked, krooniline alapinge jne.) piisab ka filtrist. Toitevoolu filtrid on vajalikud eriti siis, kui arvutit kasutatakse suurte voolutarbijatega (võimsad elektrimootorid, kompressorid, külmutusseadmed) ühise toiteliini pealt. UPSil on sees ka äikesekaitse, mis vähendab seadmete kahjustamise riski. Kui UPS hakkab koormust toitma akudelt, informeerib ta sellest kasutajat lühikeste piiksudega. Kui aga akud on tühjenenud niivõrd, et energiat jätkub veel paariks minutiks, informeerib UPS sellest pideva heliga, mida ei saa välja lülitada.

Kui kaitsta oma arvutit vooluvõrgu häirete eest UPSi või toitevoolu filtriga, jääb arvuti "tagauks" modemi telefoniliini või arvutivõrgu kaudu avatuks. Selliste "tagauste" vastu võitlemiseks on olemas filtrid, mis ühendatakse vastavalt arvuti ja telefoniliini või võrgujuhtme vahele. Filtreid on olemas ka arvuti järjestikliidese kaitseks.

Offline (offline UPS, standby power system (SPS))-tähendab UPSi, mis käivitub vaid elektrikatkestuse või kehva pinge ajaks, muidu on ootereziimis.line-interactive UPS: UPSiga kaasaolev seadeldis (power-transformer) kontrollib voolukõikumisi, ning teatud tasemel rakendub tööle, tõstes- langetades sisse tulevat pinget.  Kui sellest ei piisa, siis lülitatakse sisse UPSi aku.Online -Kui tavaline offline -UPS jälgib sissetulevat pinget ja selle liiga suure kõikumise korral toite kiiresti patareidele ümber lülitab, või üritab kümmekonna voldi võrra korrigeerida, siis online -UPS toodab kogu aeg “puhast elektrit”, tehes alati sissetulevast toitest akupinge ja sellest jälle 220V tagasi. Linnaoludes peaks tavaline UPS piisav olema, suurte pinge- ja sageduskõikumistega oludes peaks see aga liiga tihti akusid kasutama ning siis on vaja online- UPSi. Eriti maksab sellele mõelda siis, kui ehitusplatsil teeb elektrit kesine diiselgeneraator

36

või on 220V toidet vaja näiteks mikrobussis.    Oniline UPSid pakuvad kõige kindlamat kaitset voolukatkestuste vastu, kuna nad töötavad pidevalt. Kasutatakse eriti tähtsate süsteemide käigus hoidmiseks: server, telefonisüsteem.     Standby ja line-interactive UPSid sobivad kaitsma arvuteid, kus andmete kadumine ei põhjusta kriitilisi olukordi, pigem ebamugavusi. Seda tüüpi UPSid sobivad nt (üksikute) arvutite või faksi töö tagamiseks.   Line-interactive UPSid sobivad töökohtadele, kus voolukõikumised on sagedased nähtused (tingitud nt konditsioneeri sisse ja välja lülitamisest jne)

Soft-UPS ilma tarkvarata on ainult veerand UPSi. Tihti pole oluline mitte see, kui kaua akud vastu peavad, vaid soft, mis töötavad programmid viisakalt suleb. UPS, mis suudab tarkvaraliselt arvuti sulgeda, eeldab tavaliselt ka vaba serial või USB pordi olemasolu.

Surge- juhul kui UPS tarbetu tundub, maksab igal juhul hoolitseda selle eest, et kõikidesse seadmetesse minev toide kaitstaks äkiliste suurte pingehüpete eest nn. surge-protector’i abil. Palju odavam, kui UPS, kud äärmiselt hea tormise ilmaga meelerahu tagamiseks.

cold start- funktsioon, mis lubab aku sisse lülitada ka ilma toitepinge olemasoluta, sisemise aku abil.

UPS täidab vahelduvvooluvõrgust toidetava arvuti elektritoitesüsteemis kahte olulist ülesannet:

1. Kui vahelduvvooluvõrgus esinevad lühema- või pikemaajalised elektrikatkestused, siis UPS tagab arvutile , tänu temas sisalduvale energiasalvestile (akumulaatorpatareile), veel täiendavaks ajaks normaalse elektritoite. Selle aja jooksul saab sulgeda nii töödeldavad tegumis, kui ka sooritada kogu arvutisüsteemi korrektse sulgemise. Seeläbi välditakse elektrikatkestusel arvutisüsteemis infokadusid.

2. UPS kaitseb arvuti elektronlülitusi vahelduvvooluvõrgus esinevate elektriliste häiringute kahjustava toime eest. Isegi kui võrguhäired ei kahjusta otseselt elektronlülitusi, võib arvutis nende toimel tekkida infomoonutusi või suuremahulist infokadu.

    Kui elektrikatkestused, vähemalt pikemaajalised on otseselt märgatavad, siis enamik teisi vahelduvvooluvõrgus esinevaid häiringuid jääb enamasti tähele panemata. Need avalduvad hiljem kaudsete, sageli mõistetamatute, ebameeldivate ilmingutena. Teades arvuti elektritoitesüsteemi mõjutavate häirete tekkepõhjusi, olemust ja tekitatavate kahjustuste iseloomu, on hõlpsam leida meetmeid neist vabanemiseks.

  Vaatamata UPS-ide laiale valikule on nende tööpõhimõtetes ja struktuurides eristatavad teatavad tüüplahendused. Moodne UPS koosneb peamiselt järgmistest osadest:

1. vahelduv- alalispingemuundur

(akulaadur) – lülitus, mis muundab UPS-i sisendil võrgust saadava vahelduvvoolu (vahelduvpinge) alalisvooluks (alalispingeks), et selle energiat salvestada akumulaatorpatareisse. Muundur kõrvaldab ühtlasi vahelduvvoolus esinevad impulsshäiringud ja ülepinged.

2. Alalis- vahelduvpingemuundur

37

(inverter)- lülitus, mis muundab patarei alalispinge taas ettenähtud parameetritega vahelduvpingeks, millega toidetakse arvutit.

3. Akumulaatorpatarei

(patarei) – teatud tüüpi akumulaatorelementidest koostatud energiasalvesti, mida energiaga varustab akulaadur ning mille energiat kasutab inverter. Enamiku patareide energiamahutavusest piisab, et toita arvutit 5- 15 minuti jooksul. Mõnele UPS-ile saab külge ühendada veel täiendavaid patareisid (seeläbi suureneb aeg, mille jooksul toidetakse arvutit UPS-i patareilt).

4. Kommutatsioonilülitused

– lülitused, mis korraldavad elektrienergia edastust UPS-i väljundile, kas patareilt või läbi kaitselülituse otse vahelduvvooluvõrgust. Kommutatsioonilülitused tagavad, et elektrikatkestusel vahelduvvooluvõrgus lülitutakse võrgutoitelt automaatselt ümber patareitoitele.

    Nn. “arukates UPS-ides” (smart UPS) on sardmikrokontroller, mis reaalajas juhib UPS-i energiamuundurite tööd, kontrollib sisendväljundpingete parameetreid ja standardse liidese (tüüpiliselt RS- 232C) kaudu suhtleb personaalarvutiga. Viimases hoitakse UPS-i tarkvara utiliite.Tööpõhimõtete järgi jaotuvad UPS-id kolme põhiliiki:1. sidus-UPS (on-line UPS),2. vallas-UPS (off-line UPS, standby UPS),3. interaktiivne ehk aktiivne vallas-UPS (line- interactive UPS, active standby UPS)

Spetsiaalse riistvara

Spetsiaalse riistvara realiseerimise võimalused.

Personaalarvuti universaalsus tuleneb põhimõtteliselt tema ehitusest. Kasutusvalmis arvutit võib vaadata koosnevana kahest võrdväärsest osast riistvarast ja tarkvarast. Riistvara olemuse paremale mõistmisele oli pühendatud kogu käesolev kirjatöö. Tarkvara jäi vaatluse alt välja.

Riistvara talitlus põhineb universaalsel protsessoril, mille tööd toetavad emaplaadil ja keskseadmes asuvad komponendid ning sisend-väljundseadmed. Piltlikult öeldes kujutab protsessor endast plastmassist karbikest, mis tekitab ühele elektrisignaalide hulgale vastava teise elektrisignaalide hulga. See, missugune elektrisignaalide hulk tekitatakse, sõltub kolmandast elektrisignaalide hulgast. Kogu arvuti riist- ja tarkvara koostöö tulemusena vastab esimene elektrisignaalide hulk üheselt töödeldavatele andmetele, teine töötluse tulemusele ja kolmas hulk töötlusprogrammile. Protsessori universaalsus põhineb signaalide ja töötluse lihtsusel. Töötlusel tekkivate signaalide kaks võimalikku olekut sõltuvad ainult esimese ja kolmanda signaalihulga signaalide samasugustest olekutest. Töötlus ise seisneb vastavate signaalide olekute analüüsis ja tulemusele vastava uue signaali tekitamises. Analüüs ise on

38

üsna lihtne, veidi keerulisemaks teeb asja ainult see, et neid analüüse tuleb teha suhteliselt palju ja kiiresti.

Sisuliselt tagab universaalsuse asjaolu, et signaalitöötlust saab vaadata kui infotöötlust informatsiooni on võimalik teisendada ühest olekust teise ja töötlusseade on paindlikult juhitav.

Arvuti universaalsus avaldub kolmes aspektis:

1) Programmi universaalsus: arvutile võib koostada lõpmatult programme, mida saab käivitada praktiliselt piiramatu arvu kordi.

2) Andmete universaalsus: arvuti sisemine andmekuju on universaalne, andmeid saab põhimõtteliselt alati töödelda.

3) Realisatsiooni universaalsus: arvuti kui standardne toode on samal kujul kasutatav paljude erinevate ülesannete lahendamiseks mitmes eri kohas. Ühte ülesannet on võimalik lahendada paljudel eri arvutitel.

Need kolm aspekti lubavad arvutit kasutada lõpmatu arvu ülesannete lahendamiseks. Samal ajal on arvuti kasutamises terve rida kitsendusi, mis avalduvad nii igas aspektis eraldi kui ka teatud ülesannete lahendamise võimalikkuses üldse. Üks piiranguid on seotud sisend-väljundseadmete suhteliselt kitsa valikuga. Traditsioonilised sisend-väljundseadmed piirduvad informatsiooni muundamisega inimesele harjumuspäraselt kujult arvuti sisekujule ja vastupidi. Sellega seoses osutub vajalikuks inimese osalus ülesannete lahendamise juures. Siit leiame ka ühe vastuse sissejuhatuses esitatud küsimusele arvuti kasutusvõimaluste laiendamise kohta need oleksid märksa avaramad suurema sisend-väljundseadmete valiku puhul. Arvuti lisaseadmete komplekti määravad mitmed majanduslikud ja tehnilised asjaolud, seetõttu peatume arvuti kasutamisel ebatraditsiooniliste ülesannete lahendamiseks vaid lühidalt.

Arvuti ebatraditsiooniliste kasutusviiside all mõeldakse mittetavapäraste infotöötlusülesannete lahendamist tavalisel PC-arvutil. Tavapäraseks loeme ülesannet, mis on sisestatav-väljastatav arvuti tavakomplekti kuuluvate sisend-väljundseadmetega.

Mittetavapäraste ülesannete lahendamisel huvitab meid esmajoones ülesandega seotud andmete ebatraditsiooniline sisestus-väljastus, sest ülesande lahendusprogrammi sisestamiseks on mõttekas kasutada traditsioonilisi vahendeid. Andmete veidi erinev sisestamine on uudne siiski ainult tavakasutajale, spetsialistid tegelevad probleemiga juba personaalarvuti loomisest alates.

Ebatraditsioonilisi ülesandeid on arvutisobivuselt kahte liiki, kusjuures piir nende vahele pole selgesti eristatav. Esimest liiki ülesannete puhul ei teki probleemi informatsiooni teisendamisega (tavaliselt on tegemist arvutiga koostööks mõeldud seadmetega). Lihtsamal juhul toimub andmevahetus niisuguste seadmetega arvuti tavaliideste vahendusel. Keerukamal juhul, kui tavaliideseid pole piisavalt või ei sobi kasutatav signaaliedastusviis, läheb vaja täiendavaid tehnilisi vahendeid. Arvutipõhiste seadmete korral on ka see probleem tavaliselt lahendatud, näiteks arvutisse asetatavate täiendavate liidesplaatide kuulumisega seadme komplekti.

39

Teist laadi ebatraditsiooniliste ülesannete puhul lisanduvad andmeedastusele ka informatsiooni teisendamisega seotud probleemid. Reeglina kaasneb taoliste ülesannetega täiendavate tehniliste vahendite vajadus. Lihtsamal juhul on võimalik osta ja kasutada valmisseadmeid, keerukamal juhul tuleb need projekteerida ja valmistada. Sagedamini läheb käiku segavariant.

Ebatraditsiooniliste ülesannete lahendamine on huvitav lisavõimalus PC kasutamiseks, kuid tavakasutajate hulgas see laialt levinud ei ole. Põhjusi on mitmeid alates vajalikest lisateadmistest ja lõpetades sellega, et puuduvad lihtsad vahendid niisuguseks tegevuseks. Hoopis enam ja sageli kasutajale märkamatult rakendatakse niisuguste ülesannete lahendamisel spetsiaalset arvutustehnikat, millest teeme põgusalt juttu järgmises jaotises.

o Programne realisatsioon

Olgu meil vaja realiseerida spetsiaalne digitaalne seade või protsessor mingiks ülesandeks. Näiteks juhtida tööpinki, analüüsida mingi keemilise protsessi kulgu, juhtida auto sissepritset ja süüdet, mobiiltelefonile protsessor jne. Millised on siin realiseerimise võimalused. Esimene on programne realisatsioon. See tähendab, et me ühendame näiteks paralleelpordi külge oma personaalarvutil juhitava seadme ning kirjutame programmi juhtalgoritmi täitmiseks. Realisatsioon on programne selles mõttes, et juhtalgoritm on realiseeritud arvuti mälus säilitatava programmina mida protsessoris käskhaaval täidetakse.Head omadused:saab kasutada harjumuspärast tarkvaraSuhteliselt lihtne teha muudatusiKui see on probleem, siis suhteliselt vähe on vaja tunda riistvaraPuudused:aeglane võrreldes riistvaralise realisatsiooniga sest programmi täitmisel toimub ju pidevalt käskude lugemine mälust protsessorisse ja nende täitmine seal;PC või mõnu teine universaalne arvuti on paljudes kohtades mõttetult kallis. Juhtides lihtsa algoritmi järgi tööpinki ei kasuta me võimsa arvuti ressurssidest väikestki osa;Füüsilised mõõtmed ei ole alati vastuvõetavad.Mõned neist puudustest saab lahendada mikrokontrolleri abil. Mikrokontroller kujutab endast ühel kristallil realiseeritud arvutit. Seal on olemas protsessor, taimer, liidesed, mälu, katkestuse süsteem jne. Tõsi – mälu maht on piiratud ja ka muud parameetrid ei ole PC-ga võrreldavad, kuid lihtsamaid programme on ta võimeline täitma. Omadused võrreldes mikrokontrollerita programse realisatsiooniga:Head omadusedKasutada tuleb oma spetsiaalset tarkvara programmeerimiselsamuti suhteliselt lihtne teha muudatusieeldab suuremat riistvara tundmist, vähemalt riistvara lähedast programmeerimistPuudusedaeglane võrreldes riistvaralise realisatsiooniga, sest programmi täitmisel toimub ju pidevalt käskude lugemine mälust protsessorisse ja nende täitmine seal;võrreldes PC-ga suhteliselt odav, aga ka mälu ja muud ressursid võivad osutuda paljudes kohtades ebapiisavateks;füüsilised mõõtmed on oluliselt väiksemad kui PC-l, kuid mõneski kohas kasutamiseks liiga suured (nt mobiiltelefon)

40

o Riistvaraline realisatsioon

Alati võib algoritmi realiseerida riistvaras nagu juhtautomaadi protsessoris. See tähendab, et algoritm realiseeritakse loogikaskeemina. Edasi loogikaskeemi realiseerimine võib toimudatrükkplaadina komponentidest (mikroskeemidest) koostatud loogikaskeemiga või kristalli pinnal ühe mikroskeemina (ASIC – application specific integrated circuit). Erinevus on siin vaid tehnoloogilist laadi. ASIC-u valmistamine eeldab terve rea etappide läbimist enne kui meil on valmis oma loogikaskeemi prototüüp katsetusteks. Kogu disain nõuab suhteliselt kalli spetsiaalse tarkvara (CAD – computer aided design) olemasolu. Kõigi realisatsioonide puhul ei ole sellise tarkvara hankimine võimalik. Selleks, et saada esimene prototüüp on vaja teha kõik maskid ja valmistada mikroskeem. Suurte partiide korral on selliste maskide tegemine ja siis nende abil paljude mikroskeemide valmistamine otstarbekas.Alguses katsetamise ajal on ka suhteliselt aeganõudev, kallis ja tülikas teha muudatusi mida siiski ilmselt vältida ei saa. Muudatused võivad olla tingitud nii disaini vigadest kui ka tellija poolsest nõudmiste muutustest, mis kerkivade esile katsetamise faasis.Oma mikroskeem (ASIC):EelisedSuurte seeriaate puhul odavam toota;turvalisus;väiksem komponentide arv;Suurem komponentide tihedus vähendab energia kulu ja suurendab töökiirustPuudusedVäikeste seeriate korral kõrged projekteerimise ja prototüübi valmistamise kulud;Pikk juurutamise ja prototüübi valmistamise aeg;Tülikas muudatuste tegemine.Disainid võivad olla:Full custom design – toote jaoks tehakse algusest lõpuni oma mikroskeem (CAD, Silicon Compailer)Semicustom Design – kasutatakse vamis toorikuid ja disainitakse ainult osa, mis realiseerib vajalikku toodet (gate arrays, standart cells)

o Programmeeritav loogika ja riistvara programmeerimise tehnoloogiad

PLD-programmable Logic Devices.Mikroskeemi valmistamise ja programse realisatsiooni vahel on olemas veel üks spetsiaalse riistvara realiseerimise võimalus – programmeeritav loogika. Siin programmeeritav loogika tähendab tegelikult mitte protsessoris täidetava programmi kirjutamist, aga riistvara tooriku konfigureerimist vastavalt oma rakendusele. Programmeerimise all tuleb siin mõista konfigureerimist. Konfigureerimiseks/programmeerimiseks kasutatakse põhiliselt kolme tehnoloogiat:

Staatilise suvapöördusmälu (SRAM) tehnoloogiaSPRAM tehnoloogias moodustatakse toorikul (tavaliselt maatriks) SPRAM trigeritest suur nihkeregister. Kandes sinna registrisse bittide jada toimubki konfigureerimine.SPRAM tehnoloogia omadusi:funktsionaalseid blokke ja ühendusi juhitakse SPRAM trigeritega;Ühenduselemendid on sama kristalli pinnal;Konfigureerimine ei ole destruktiivne protsess;Programmeerimine toimub pärast toite sisselülitamist ja võimalik on töö ajal ümberkonfigureerimine;

41

Vajalik toite sisse lülitamisel konfigureerimiseks väline mäluga seade, kus hoitakse konfiguratsioonifaili;SPRAM elemendid on suured (5 transistori), nõuavad toidet, infoliine, maandust ja valiku liine;Saab valmistada koos muu loogikaga samas CMOS tehnoloogiasSPRAM mäluelementide disaini on palju ja põhjalikult uuritud.

Anti-fuse ja Fuse tehnoloogiaAntifuse tehnoloogia juures tekitatakse kahe metalli vahele voolu impulsiga ühendus. Algselt on metallide vahel amorfne räni, millel on väga suur takistus (ühendus metalli juhtide vahel praktiliselt puudub), mis voolu impulsi toimel sulab ja moodustab ühenduse (väikese takistusega piirkond)Antifuse tehnoloogia omadusi:modifitseeritud CMOS tehnoloogia ja vajalik eraldi vamistamise etapp, millega valmistatakse juhtide vahele väga õhuke isolatsioonikiht;Programmeerimine on destruktiivne – põletatud ühendus ei ole taastatav;Programmeeritakse toitest oluliselt kõrgema pingega ja seega on paljudes kohtades vajalik täiendav isolatsiooni kiht;Ei ole võimalik lugeda välja konfiguratsioonifaili;Sobivad multipleksorite valmistamiseksFuse tehnoloogia korral on juhi teatud poorkond tehtud oluliselt väiksema ristlõike pindalaga ja nüüd saab selles piirkonnas ühenduse voolu impulsiga katkestada. Seega ühel juhul konfigureerimisel tekitatakse ühendusi ja teisel juhul neid ühendusi katkestatakse konfigureerimisel/programmeerimisel.

EPROM, EEPROM ja Flash tehnoloogia.Antud tehnoloogiad on samasugused nagu on vastavate püsimälude programmeerimise tehnoloogiad ja neid on kirjeldatud püsimälude juures.omadused:Sobib kokku standard CMOS tehnoloogiaga;Protsess ei ole destruktiivne;Puuduseks on laengute hajumine;EEPROM ja Flash tehnoloogia korral saab programmeerida mikroskeemi eraldamatta.

***

Kasut. loogiliste funktsioonide realiseerimiseks. Maatriksid jagunevad AND- ja OR maatriksiteks. Mõlemat liiki maatriksid kujutavad endast ristuvate siinide süsteemi, kus üksikjuhtmeid saab ristumiskohtades omavahel ühendada või vastupidi olemasoleva ühenduse katkestada. Tegelik ühendamine toimub transistoride ja dioodide abil. Programmeerimine siin tähendab mitte sissepõletamist skeemi, vaid riistvara konfiguratsiooni sissepõletamist. Näiteks funktsioon :

42

Dioodide maatriks realiseerib meie funktsiooni. Joonisel on ringidega tähistatud dioodid. Sellise maatriksi valmistamiseks tehakse tehases valmis toorik, kus on kõikidel positsioonidel dioodid ning hiljem põletatakse nende ühendused välja, mis pole vajalikud. On võimalik ka konjuktsioonmaatriks, kui dioodide asemel on transistorid. Siis põletatakse välja mittevajalikud emitterühendused

disjunktiivset normaalkuju realiseerivad lihtsamad maatriks-struktuurid (PAL - Programmable Array Logic, PLA -Programmable Logic Array)

Programmable array logic (PAL) is a programmable logic device used to implement combinational logic circuits. The PALs were the first programmable logic devices for the commercial market, introduced by Monolithic Memories, Inc. (MMI). The PAL, in comparison to the PLA has a fixed set of OR gates, and thus a fixed number of programmable AND planes. However, the PAL allows reuse of function outputs, and can be then used in another PAL program block. Early PALs were 20-pin DIP (dual inline package) components fabricated in bipolar silicon transistor technology with nichrome programming fuses. The 16L8 and 16R8 were popular members of the product family. The devices have fixed-or, programmable-and-plane arrays of transistor cells to implement 'sum-of-products' binary logic equations for each of the outputs in terms of the inputs and either synchronous or asynchronous feedback from the outputs. Before PALs were introduced digital designers would use SSI (small-scale integration) components, such as 7400 series nand gates and D-flipflops. One PAL device would typically replace dozens of such 'discrete' logic packages, so the SSI business went into decline as the PAL business took off. PALs were used advantageously in many products, such as minicomputers, as documented in the best-selling book "The Soul of a New Machine."Early PALs were programmed using PALASM language files (converted by a compiler into JEDEC ASCII/hexadecimal files) and a special electronic programming system available from either the manufacturer or a third-party, such as DATAIO. Gang programmers were used when more than just a few parts were needed and for large volumes the manufacturer would fabricate a custom metal mask for manufacturing so electrical programming could be eliminated to reduce cost. PALASM was used to express boolean equations for the outputs pins in a text file which was then converted to the 'fuse map' file for the programming system using a vendor-supplied program; later the option of translation from schematics became common, and later still, 'fuse maps' could be 'synthesized' from an HDL (hardware description language,) such as Verilog.

43

After MMI succeeded with the 20-pin PAL parts, AMD introduced the 24-pin 22V10 PAL with additional features. After buying out MMI (1987?), AMD spun off a consolidated operation as Vantis, and that business was acquired by Lattice Semiconductor in 1999.

Programmable Logic Array (PLA) - This device has both programmable AND and OR planes.  The space-flight application that I am aware utilized the bipolar, fuse-based, 82S100 in the central processing units of the Magellan and Galileo attitude control computers.  PLA structures may also appear as part of some CPLDs.  The two layers of programmable structure add a fixed delay.

     kasutaja poolt programmeeritavad maatriks-struktuurid (FPGA - Field Programmable Gate Array)

This device is similar to the gate array, defined above, with the device shipped to the user with general-purpose metallization pre-fabricated, often with variable length segments or routing tracks.  The device is programmed by turning on switches which make connections between circuit nodes and the metal routing tracks.  The connection may be made by a transistor switch (which are controlled by a programmable memory element) or by an antifuse.  The transistor switch may be controlled by an SRAM cell or an EPROM/EEPROM/Flash cell.  Timing is generally not easily predictable.  Some architectures employ dedicated logic and routing resources for optimizing high-speed functions such as carry chains, wide decodes, etc.

The PROM, PAL, AND PLA are three related devices.  They share an architecture that consists of AND and OR planes.  Additional features such as programmable I/O blocks, storage registers, etc., may be included in these devices.  Commercial, military, and space devices use a variety of programmable elements.  A complete list is beyond the scope of this tutorial. Some aerospace examples are given below.

arhitektuur

The architecture consists of an array of logic blocks and routing channels. Two I/O pads fit into the height of one row or the width of one column. All the routing channels have the same width (number of wires).

44

Each circuit must be mapped into the smallest square FPGA that can accommodate it. For example, a circuit containing 14 logic blocks and 10 I/O pads would be mapped into an FPGA consisting of a 4x4 array of logic blocks.The FPGA logic block consists of a 4-input lookup table (LUT), and a flip-flop, as shown at below.

There is only one output, which can be either the registered or the unregistered LUT output. The logic block has four inputs for the LUT and a clock input. Since the clock is normally routed via a special-purpose dedicated routing network in commercial FPGAs, do NOT route it or include it in your track count results. That is, you can completely ignore the clock net, since it is assumed to be routed on a special global network.

The l ocations of the FPGA logic block pins are shown below.

Each input is accessible from one side of the logic block, while the output pin can connect to routing wires in both the channel to the right and the channel below the logic block.

Each logic block output pin can connect to any of the wiring segments in the channels adjacent to it. The figure below should make the situation clear.Similarly, an I/O pad can connect to any one of the wiring segments in the channel adjacent to it. For example, an I/O pad at the top of the chip can connect to any of the W wires (where W is the channel width) in the horizontal channel immediately below it.

The FPGA routing is unsegmented. That is, each wiring segment spans only one logic block before it terminates in a switch box. By turning on some of the programmable switches within a switch box, longer paths can be constructed.

45

Whenever a vertical and a horizontal channel intersect there is a switch box. In this architecture, when a wire enters a switch box, there are three programmable switches that allow it to connect to three other wires in adjacent channel segments. The pattern, or topology, of switches used in this architecture is the planar or domain-based switch box topology. In this switch box topology, a wire in track number one connects only to wires in track number one in adjacent channel segments, wires in track number 2 connect only to other wires in track number 2 and so on. The figure below illustrates the connections in a switch box.

Oma mikroskeemi (ASIC) ja FPGA-de vahel on veel üks spets riistvara realiseerimise võimalus –MPGA (mask programmable Gate Array). MPGA juures konfigureeritakse maatriks mikroskeemi valmistamise viimaste etappide ajal maskide abil, see tähendab tekitatakse ühendused, mis konfigureerivadki maatrikse. Meetod on seotud mikroskeemi valmistamise tehnoloogiaga ja seda ei saa teha kasutaja ise. Seega on ta oma omadustelt sarnande ASIC-ule ühelt poolt ja teiselt poolt kasutatakse toorikuid ja ei läbita kõiki mikroskeemi projekteerimise ning valmistamise etappe. Reeglina pakuvad FPGA-de valmistajad ka MPGA-sid koos tarkvaraga, mis võimaldab minna automaatselt ühelt teisele.FPGA omadusi:aeglasemväiksem tihedusodavam prototüüpsuur seeria oluliselt kallimalati paindlikum võimalus teha muudatusikiiremini tootmisse

FPGA-de projekteerimine

Riistvara kirjeldus (Boole’I funktsioonid, loogikaskeem jne)Loogiline optimeerimine/minimeerimineÜlesande jaotamine (Technologu mapping)Osaülesannete paigutus (placement)Trasseerimine (routing)programmeerimine/konfigureerimine

Erinevate spetsiaalse riistvara realiseerimise võimaluste kasutusvaldkonnad ja võrdlus.

Vt programmeeritava loogika punkti, kus on puudused ja värgid olemas.

46

Arvutite riistvara veakindlus.

Rikked arvuti riistvaras.

Püsivad rikked:1.Ühenduste rikked;2.Purunenud komponendid;3.Tootmisel tekkivad rikked;4.Disaini vead.

Mitepüsivad rikked:1.Keskond (temp. Niiskus, rõhk ...);2.Vibratsioon;3.Toide;4.El. magn väli, staatiline elekter, maandus;5.Halvad ühendused;6.Kriitilised ajad (timing);7.Takistuse ja mahtuvuse muutused,8.Müra;9.Vananemine.

Testimine.

Millal testitakse : Normaalses tööreziimiz. (Online testing,Concurrent testing) Spetsiaalses testimise reziimis. (Off-line testing)Kus on stiimulid : Süsteemi sees (Self-testing) Eraldi testri mälus (External testing)Milliseid rikkeid testitakse : Projekteerimise vigu. (Design verification) Tootmise vigu Tootmise praaki Rikkeid (Field testing, Mintenance testing) Milline on testimise objekt : Mikroskeem IC (Component level testing) Plaat (Board level testing) Süsteem (System-level testing)Kuidas saadakse testid/oodatavad reakstsioonid : Mälust. (Stored pattern tetsing) Genereeritakse testimise ajal. (Algorithmik testing)Millises järjekorras antakse teste objektile : Fikseeritud jäjekorras. Sõltuvalt eelmise testi tulemustest (Adaptive testing)Milline on testimise kiirus : Normaalsest tööökiirusest aeglasemalt (Static testing) Töökiirusel (At-speed testing)Mida jälgitakse : Kõiki väljundkombinatsioone Funktsiooni väljundkombinatsioonidest (Compakt tetsing)

47

Milistele objekti punktidele on ligipääs : Ainult sisenditele/väljunditele. (Edge-pin testing) Sisenditele/väljunditele lisaks ka sisemistele punktidele. (In-circuit tetsing, Bed-of-nails

testing, …)Kes kontrollib tetsimise tulemusi : Süsteem ise (Self-testing, Self-cheking) Väline seade-tester. (External testing) objekt, test ja etalon testinfo esitus rikkemudelid.

konstant 0 ja konstant 1 rike ( stuck-at-0 and stuck-at-1 faults, s-a-0 and s-a-1) lühised (Bridges) ühekordsed ja mitmekordsed rikked

testide genereerimine (Test Pattern Generation) kattev testimine (Exhaustive Testing) juhuslik testimine (Random Testing) pseude juhuslik testimine (Pseudo Random Testing) testide genereerimine determineeritud meetodil

Testitava riistvara projekteerimine

kombinatsioonskeemid järjestikskeemid Boundary-scan Standard IEEE 1149.1

Veakindlad koodid Töökindluse tõstmine.

o The failure of mechanical devices is similar in many ways to the life or death of biological organisms. Statistical models appropriate for any of these topics are generically called "time-to-event" models. Death or failure is called an "event", and the goal is to project or forecast the rate of events for a given population or probability of an event for an individual.

o Computer software exists to quantify complex system reliability, for example, the SAPHIRE software.

48