Автор: Ларионов А.М. Горнец Н.Н.
Теги: компьютерные технологии программирование вычислительная техника
ISBN: 5-06-001754-0
Год: 1991
Текст
A.M. Ларионов, H. Н. Горнец
ПЕРИФЕРИЙНЫЕ
УСТРОЙСТВА
В ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ
A.M. Ларионов H. H. Горнец
ПЕРИФЕРИЙНЫЕ
УСТРОЙСТВА
В ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ
СИСТЕМАХ
Допущено Государственным комитетом СССР
по народному образованию
в качестве учебного пособия
для студентов вузов,
обучающихся по специальности
"Вычислительные машины,
комплексы, системы и сети"
Москва «Высшая школа» 1991
ББК 32.973
Л 25
УДК 681.3
Рецензенты
кафедра Вычислительной техники Ленинградского электротехнического
института им. В.И. Ульянова-Ленина (зав. кафедрой - д-р техн. наук, проф.
В.Б. Смолов);
,м чл.-кор. АН СССР В.К. Левин (Научно-исследовательский институт
"Квант")
Ларионов А.М., Горнец Н.Н.
Л 25 Периферийные устройства в вычислительных системах:
Учеб. пособие для вузов по спец. "Выч. машины, комплек¬
сы, системы и сети". - М.: Высш. шк., 1991. - 336 с.: ил.
В пособии рассмотрены основные проблемы общения ЭВМ и объектов
внешнего мира, роль и место периферийных устройств (ПУ) в современных
вычислительных системах. Основное внимание уделено вопросам организации
совместной работы центральных и периферийных устройств в ЭВМ. Приве¬
дены краткие сведения о физических принципах, используемых для преобра¬
зования способов представления информации в РУ различных назначений,
способы и схемы управления ПУ и особенности подключения их к ЭВМ
разных классов.
ISBN 5-06-001754-0
п
2404020000(4309000000) - 165
001(01)-91
171-91
ББК 32.973
6Ф7.3
ISBN 5-06-001754-0
© А.М. Ларионов, Н.Н. Горнец, 1991
Предисловие
Одной из важнейших задач, стоящих перед разработчиками ЭВМ
пятого и последующих поколений, является обеспечение возможности
общения машины с человеком в наиболее пригодном для него виде
графиков, рисунков, естественной речи. Эта задача имеет множество
аспектов, наиболее значительные из которых связаны с организацией
систем ввода-вывода и разработкой новых периферийных устройств
(ПУ). Роль ПУ непрерывно повышается по мере расширения сфер
использования ЭВМ в народном хозяйстве. Сегодня доля стоимости,
приходящаяся на ПУ, в зависимости от класса ЭВМ составляет
50 — 85% от общей стоимости аппаратных средств.
Современные ПУ представляют собой сложные технические
устройства и системы, при разработке которых приходится решать
разнообразные задачи из разных областей науки и техники: механики
и оптики, материаловедения и психологии, системотехники, элект¬
роники и др. В рамках учебного пособия не представляется
возможным подробно остановиться на всех этих задачах. Поэтому
описаны основные принципы работы тех или иных ПУ; практически
не рассмотрены кинематические схемы и конструкции ПУ, так как
эти вопросы хорошо и подробно изложены в раде учебных пособий
[9,11,34].
На всех этапах развития вычислительной техники ПУ были и
остаются наиболее слабым звеном, существенно уступающим цент¬
ральным устройствам в быстродействии и надежности, причем их
совершенствование происходит медленнее, чем центральных уст¬
ройств. Для повышения эффективности работы ЭВМ постоянно
улучшались способы организации ввода-вывода информации, что
привело к широкому использованию принципов параллельного
выполнения операций обработки и ввода-вывода, развитию автоном¬
ных средств управления ПУ и повышению их «интеллектуальных»
возможностей. Вот почему в данном учебном пособии основное
внимание уделено организации совместной работы центральных и
периферийных устройств в ЭВМ различных классов, аппаратным
интерфейсам, контроллерам для ПУ. Обсуждаются возможности
Улучшения параметров ПУ за счет реализации рациональных
Алгоритмов управления посредством встроенных микропроцессоров.
3
В данном учебном пособии нашли отражение такие типы
устройств, как пульты ЭВМ, устройства сопряжения с объектами
управления, внешние запоминающие устройства на цилиндрических
магнитных доменах, ПУ систем дистанционной обработки и др. В
то же время многие традиционные ПУ (например, устройства
подготовки данных и ввода с перфоносителей) рассмотрены конс¬
пективно.
В основу учебного пособия положен опыт преподавания
дисциплины «Периферийные устройства ЭВМ, систем и сетей» в
Московском институте радиотехники, электроники и автоматики для
студентов, обучающихся по специальности «Вычислительные машины,
комплексы, системы и сети».
По просьбе авторов, глава 6 написана к.т.н. E.JLИвановым; при
написании разделов 2.2, 2.3 и 5.7 авторы использовали материалы,
предоставленные к.т.н. О.И.Гараниной и А.А.Мячевым. При подго¬
товке рукописи использовалась персональная микроЭВМ с входящими
в ее состав ПУ клавиатурой, печатающим устройством, устройством
отображения и накопителем на гибком магнитном диске. Это дало
возможность получить распечатки текста, прочитанные многими
студентами. Авторы благодарны им за выявленные ошибки и
сделанные замечания.
При работе над рукописью помимо литературных источников,
приведенных в списке литературы, авторы использовали материалы
отечественных и зарубежных периодических изданий: «Вопросы
радиоэлектроники, серия ЭВТ», «Микропроцессорные средства и
системы», «Управляющие системы и машины», «Автометрия», «Зару¬
бежная радиоэлектроника», «Электроника», «Electronic Design»,
«Electronic Design News», «Computer» и др.
Авторы
ВВЕДЕНИЕ
Передача различных сведений, полученных в результате накоп¬
ления знаний и опыта, между отдельными людьми и от поколения
к поколению лежит в основе развития человека и общества в целом.
В течение длительного времени передача сведений, или информации,
осуществлялась посредством устной речи, графики, печатных или
рукописных текстов. Обработка информации производилась
исключительно мозгом человека, а ее восприятие и выдача — его
периферическими системами: органами зрения, слуха, голосовым
трактом и т.д., при этом изучение способов представления и обработки
информации мозгом носило лишь познавательный характер. Появ¬
ление ЭВМ нарушило монополию человека на обработку информации
и потребовало создания средств для загрузки и выгрузки информации
в обрабатывающую часть машины; при этом способы ее представления
и обработки в машине существенно отличаются от тех, которые
используются мозгом человека и другими, внешними по отношению
к обрабатывающей части машины, объектами.
Взаимодействие ЭВМ с внешним миром. Общие понятия.
Обрабатывающую (центральную) часть ЭВМ упрощенно можно
представить совокупностью арифметико-логического устройства
(АЛУ), оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) и устройства
управления (УУ). АЛУ и УУ образуют центральный процессор (ЦП),
предназначенный, в первую очередь, для решения прикладных задач
пользователя, хотя он выполняет и множество других функций,
связанных с управлением вычислительным процессом, контролем и
т.п. Информация в ЦП представляется в виде текстов, закодирован¬
ных символами; каждый символ в свою очередь кодируется
фиксированной последовательностью единиц и нулей; им соответст¬
вуют высокие и низкие потенциалы в определенных точках схем
машины. Решение задач в ЦП осуществляется выполнением после¬
довательности команд, предписывающих порядок передачи сигналов
между его определенными узлами. Эта последовательность команд,
или программа, составлена в соответствии с определенными услов¬
ностями, понятными машине, т.е. на внутреннем машинном языке.
Внешний мир по отношению к ЭВМ представляет собой
совокупность всех источников и потребителей информации. Компо¬
нентами внешнего мира являются человек, объекты управления,
5
другие ЭВМ, а также устройства внешней памяти. Внешний мир
характеризуется большим разнообразием объектов и различными
формами представления информации: графической, текстовой, рече¬
вой (для человека), в виде аналоговых или дискретных сигналов
(для систем управления). По аналогии с человеком, устройства ЭВМ,
предназначенные для восприятия и выдачи информации объектам
внешнего мира, называются периферийными. Этот термин появился
в 60-х годах, когда наиболее дорогая по тем временам центральная
часть машины размещалась в отдельной стойке, к которой посред¬
ством кабелей подключались различные периферийные устройства
(ПУ). В настоящее время многие ПУ выполняются в одном корпусе
с центральной частью машины и принадлежность к ПУ теперь
определяется только выполняемыми функциями по приему и выдаче
объектам внешнего мира различных сведений.
Сведения, представленные в формализованном виде, часто
называют данными; формализованное представление их осуществля¬
ется посредством квантов информации. Под квантом информации
будем понимать некоторый ее объем, наиболее удобный при описании
объекта (или совокупности объектов), а также при передаче, хранении
и обработке. Кванты информации различны для внешнего мира и
ЦП. В вычислительной технике, помимо указанного выше толкования
термина «данные», принято и более узкое, служащее для различения
обрабатываемой (исходные, промежуточные данные, конечные резуль¬
таты) и управляющей (команды, адреса) информации, которая
предназначена для организации вычислительного процесса. Обмен
данными между различными компонентами ЭВМ, а также между
компонентами ЭВМ и объектами внешнего мира выполняется
посредством сообщений. Сообщением будем называть произвольное
количество информации, с явно или неявно указанными началом и
концом, предназначенное для передачи. В дальнейшем будем
рассматривать в основном дискретные сообщения; в них данные
представлены конечным числом квантов информации в виде после¬
довательности символов из некоторого набора, называемого ал¬
фавитом. Алфавит может включать цифры, буквы, различные
специальные символы.
Внешний мир и центральная часть ЭВМ обмениваются сооб¬
щениями посредством системы ввода-вывода (СВВ). Под СВВ следует
понимать совокупность аппаратных и программных средств, обес¬
печивающих получение данных от источников во внешнем мире и
размещение их в ОЗУ, т.е. ввод данных, а также извлечение Данных
из определенных областей ОЗУ и передачу их потребителям
информации во внешнем мире, т.е. вывод данных. В процессе обмена
СВВ выполняет преобразование внешних для ЭВМ конкретных
объектов мира в описания образов абстрактного пространства при
вводе и обратные преобразования при выводе. Если нет необходимости
6
указывать направление передачи сообщений между ЭВМ и объектами
внешнего мира, то используют термин обмен. Преобразование
исходного языка внешнего мира в машинный язык представляет
самостоятельную задачу, не включаемую в число функций СВВ.
При обмене информацией можно выделить процессы преобразо¬
вания способа ее представления (речи в текст, текста в графическое
изображение и т.п.); кодирования (замены алфавитно-цифровых
символов их кодовыми эквивалентами); преобразования формы
представления кодированной информации (например, комбинации
пробивок на перфокарте в комбинацию высоких и низких
электрических потенциалов); передачи сигналов между ОЗУ и
средствами СВВ. Функции автономного преобразования форм и
способов представления данных и их кодирования выполняются
периферийными устройствами (ПУ), являющимися компонентами
СВВ. Если ПУ содержат значительные собственные аппаратно-прог¬
раммные средства предварительной обработки информации, то они
называются интеллектуальными. К числу неинтеллектуальных ПУ
можно отнести устройства ввода с перфоленты, содержащие элект¬
ромеханические узлы и узлы считывания пробивок, клавиатуру с
микропроцессорным управлением для кодирования символов; к числу
интеллектуальных — синтезаторы речи, системы внешней памяти,
графические дисплейные станции. В передаче сообщений и управ¬
лении обменом участвуют также и другие компоненты СВВ.
Преобразование способов представления и кодирование данных
могут выполняться в ПУ либо полностью автоматически, либо с
участием человека-оператора. Во втором случае на оператора
возлагают наиболее трудно поддающиеся автоматизации функции по
преобразованию способов представления информации. С помощью
автономно работающих устройств, входящих в систему подготовки
данных (СПД), оператор кодирует информацию и переносит ее на
промежуточный носитель. На промежуточном носителе информация
представлена в закодированной форме, но способ представления,
например, пробивки на перфокарте, не позволяет непосредственно
использовать ее для обработки в ЭВМ, т.е. требуется еще одно
преобразование. Это преобразование осуществляется ПУ СВВ непос¬
редственно в процессе выполнения операции ввода. Наличие проме¬
жуточного носителя позволяет осуществлять повторный ввод, а также
обмен данными между различными ЭВМ на уровне этого носителя.
Для этого носитель должен быть стандартизован. Стандартизуются
геометрические размеры, расположение и размеры кодирующих
элементов, допуски на них и коды. В качестве промежуточных
носителей (иногда называемых также машинными) используют
перфоленту (ГОСТ 10860-68), 80-колонную перфокарту (ГОСТ
6198-75), магнитную ленту шириной 12,7 мм (ГОСТ 12065-74),
7
кассетную магнитную ленту шириной 3,8 и 6,4 мм, а также гибкий
магнитный диск (ГМД) диаметром 130 или 90 мм.
Кванты информации и кодирование. Кванты информации
внешнего мира обычно связывают с удобством описания каких-либо
объектов при решении задачи пользователя. Рассмотрим совокупность
объектов, сведения о которых подлежат обработке. Назовем атрибутом
некоторое свойство или параметр объекта. Так, при расчете стипендии
атрибутами объекта (студента) являются фамилия, результаты сдачи
сессии, курс, на котором учится студент; при управлении производ¬
ственным процессом — величина сигнала от датчика; атрибутами
графического образа — координаты принадлежащей ему точки и т.д.
Каждый атрибут характеризуется именем и значением. Имя опреде¬
ляет, какой обработке должно подвергаться значение атрибута.
Значение представляется в виде поля (FD), которое логически
неделимо, хотя физически обработка поля может выполняться
поэлементно. Обычно поле образуется последовательностью символов,
кодируемых в виде байтов (В). Байт образует неделимую для
обработки совокупность двоичных разрядов, так как содержит код
одного символа.
Отдельные поля объединяют в запись (R), которая характеризует
целиком весь объект для решения заданной задачи:
R={FDb FD2, ..., FDn},
где n — число подлежащих обработке атрибутов. Одно из полей
каждой записи Ri служит для того, чтобы можно было различить
отдельные записи и найти нужную. Это поле называют полем ключа.
В качестве ключа можно использовать фамилию студента, название
измеряемого параметра, название графического образа и т.д. Чтобы
найти нужную запись, необходимо задать значение ключа. Задаваемое
значение сравнивается с содержимым полей ключа для всех записей
последовательно. В искомой записи эти значения совпадают.
Однотипные записи, т.е. содержащие одноименные поля для
совокупности объектов, объединяют в файл (FL)
FL={Ri, R2, Rmh
где m—число объектов.
Поле, запись и файл являются основными информационными
квантами пользователя (внешнего мира).
Основным информационным квантом в ЭВМ является машинное
слово (W), т.е. совокупность бит, которые могут быть обработаны
аппаратными средствами машины одновременно под управлением
одной команды. Длина машинного слова зависит только от конкретной
реализации ЭВМ и определяется необходимой точностью вычислений,
быстродействием, ориентацией на числовую или текстовую обработку
и т.п. В современных ЭВМ длина машинного слова обычно выбирается
8
кратной целому числу байт, что позволяет сравнительно просто
организовать переход от кванта пользователя (например, поля) к
машинному слову; при обработке текстов ЦП может работать с
отдельными байтами (символами). Минимальным информационным
квантом машины является бит, соответствующий одной двоичной
цифре.
Название «бит» получено в результате сокращения английских
слов «двоичная цифра» (binary digil = bit).
Таким образом, внешний мир в качестве информационных
квантов использует файлы, записи, поля и символы, а ЦП — слова,
байты, биты. В процессе обмена с ПУ передача осуществляется
сообщениями-блоками постоянной или переменной длины. Блок
характеризует особенности размещения информации на носителе
(например, объем одной перфокарты (ПК, т.е. 80 байт); помимо
информации пользователя он может содержать дополнительную
информацию, используемую компонентами машины для управления.
Наиболее часто блок содержит одну запись, хотя возможны
переходящие записи, занимающие несколько блоков, возможно также
размещение нескольких записей в одном блоке. Файлы обычно
сохраняют на носителях внешних запоминающих устройств (ВЗУ),
т.е. на катушках с магнитной лентой (MJI) или на пакете магнитных
дисков (МД). Полный объем информации на MJI или МД, называемый
томом, характеризует возможности системы по обмену файлами без
вмешательства человека для смены носителя.
Любой квант пользователя образуется совокупностью байтов;
каждый байт служит для представления кода символа из заданного
набора. Широко распространенный восьмиразрядный байт позволяет
кодировать до 256 различных символов. Набор всех символов, с
помощью которых может быть составлено произвольное сообщение,
называется алфавитом; а полное число символов — его мощностью.
При кодировании каждому символу должна быть поставлена в
соответствие двоичная кодовая комбинация, отличающая его от всех
других символов алфавита. Соответствие символов и двоичных
кодовых комбинаций (код) задается с помощью кодовой таблицы.
Наиболее распространены двоичный и двоично-десятичный числовые
коды и алфавитно-цифровые ДКОИ, КОИ-8, КОИ-7, КПК-12,
МТК-2, МТК-5. Использование того или иного кода определяется
классом решаемых задач и особенностями периферийного оборудо-
нания. Некоторые из перечисленных кодов рассмотрены подробнее в
последующих разделах, посвященных конкретным типам ПУ.
Классы задач и режимы взаимодействия ЭВМ с внешним
миром. Все многообразие задач принято делить на три класса:
научно-технические (расчетного характера); информационно-справоч¬
ного, логического и статистического характера; управления объектами
и процессами. Они различаются характеристиками алгоритмов и
9
требуемой точностью расчетов, допустимыми интервалами времени
на получение результата, мощностью алфавитов и потребностями
ввода-вывода.
Класс научн о-т ехнических задач характеризуется
весьма сложными алгоритмами, требующими большого количества
вычислений и высокой точности. При этом объемы входной (исходные
данные и тексты программ) и выходной (результаты расчетов)
информации сравнительно невелики — на каждое вводимое в ЭВМ
исходное значение приходится десятки и сотни операций обработки.
Основными способами представления результатов для этих задач
являются текстовый и графический; алфавит входных и выходных
сообщений ограничен.
Научно-технические задачи могут выполняться в режимах
индивидуального пользования ЭВМ и пакетной обработки. В режиме
индивидуального пользования аппаратные и программные средства
ЭВМ предоставляются в полное распоряжение пользователя, по
крайней мере на время решения задачи. Операции ввода-вывода и
обработки выполняются последовательно. Такой режим удобен для
пользователя при отладке программ, но требует длительного ожидания
ответа при сложных алгоритмах обработки и не обеспечивает
эффективной загрузки оборудования. В режиме пакетной обработки
несколько подготовленных пользователями задач объединяют в пакет.
Ввод задач пакета обычно выполняется с промежуточного носителя
обслуживающим персоналом, а результат решения через некоторое
время, называемое временем прохождения задачи, выдается пользо¬
вателю в виде распечатки. Термин пакет возник в то время, когда
в качестве промежуточного носителя использовались перфокарты
(ПК). Отдельные наборы ПК, на которых закодирован текст
программ, складывались в общий пакет. Режим пакетной обработки
позволяет организовать совмещение во времени обработки и ввода-
вывода, однако пользователь не имеет непосредственного доступа к
средствам ЭВМ, затрудняет процесс отладки программ, но при этом
режиме повышается загрузка ЦП и пользователь освобождается от
необходимости находиться непосредственно около ЭВМ в ожидании
результата, что особенно важно для сложных алгоритмов научно-
технических задач.
Класс задач информ ационно-справочн о -
го, логического и статистического характера
иногда называют задачами обработки данных. Для задач этого класса
характерны сравнительно короткие алгоритмы обработки и значитель¬
ные объемы входных и выходных сообщений — на каждое вводимое
значение приходится обычно не свыше десятка операций обработки.
Кванты информации обычно имеют переменную длину, а алфавит
входных и выходных сообщений содержит большое число символов.
Задачи обработки данных требуют разнообразных ПУ для ввода-вы-
ю
вода информации в виде текста, графиков и речи, а также внешней
памяти для хранения больших объемов справочной информации.
Задачи этого класса выполняются в режимах индивидуального и
коллективного доступа. Режим коллективного доступа основывается
на том, что при сравнительно простых алгоритмах обработки и
достаточно быстродействующем ЦП время решения задачи или ответа
машины на запрос пользователя мало по сравнению с временем
формирования пользователем самого запроса. Таким образом, ЭВМ
может успешно обслуживать несколько пользователей без заметного
увеличения времени ожидания для них. В типичном случае для
реализации режима коллективного доступа каждому пользователю
предоставляется индивидуальное ПУ (терминал), с помощью которого
он устанавливает связь с ЭВМ. В ЭВМ могут быть реализованы
различные дисциплины обслуживания пользователей. Например,
каждому пользователю предоставляется определенный квант времени,
в течение которого производится обработка его запроса, такой режим
называют разделением времени. Одной из важнейших характеристик
для задач обработки данных является время ожидания пользователем
ответа от ЭВМ. Это время всегда больше в режиме коллективного
пользования.
Классы научно-технических задач и обра¬
ботки данных можно отнести к задачам с неограниченным
допустимым временем решения, для которых интервал времени на
получение результата определяется только экономическими или
психо-физиологическими факторами.
Класс задач управления объектами и про¬
цессами, решается в режиме реального времени, т.е. за
предопределенный интервал времени или к заданному сроку,
определяемому характером процесса управления; они требуют
быстрой реакции на изменение его параметров. Задачи этого класса
обычно характеризуются сравнительно простыми алгоритмами и
низкой точностью вычислений, информация во внешнем мире для
них наиболее часто представляется в виде аналоговых сигналов, ввод
и вывод которых осуществляются устройствами сопряжения с
объектом (УСО).
Более подробно алфавитно-цифровые коды для ЭВМ и периферийного оборудования
рассмотрены в [27,37]; общие вопросы общения ЭВМ и внешнего мира — в [28]; кванты
информации — в [43]; режимы взаимодействия ЭВМ с внешним миром — в [12,21].
1. СОСТАВ И СТРУКТУРА СИСТЕМЫ
ВВОДА-ВЫВОДА
Набор функций СВВ практически не зависит от типа ЭВМ, однако их конкретное
распределение между различными аппаратными и программными компонентами СВВ в
значительной мере определяется назначением ЭВМ, условиями и режимами использо¬
вания, ее архитектурой, характеристиками производительности, стоимости и т.д. Это рас¬
пределение функций при выполнении операций ввода-вывода называется структурной
организацией СВВ.
1.1. Переменный состав оборудования и классы ЭВМ
Современные ЭВМ строятся как системы с переменным составом
оборудования, что позволяет на одной и той же машине решать,
хотя и с разной степенью эффективности, задачи различных классов.
Система с переменным составом оборудования строится из некоторого
набора устройств-модулей, включающего ЦП, модули ОЗУ;
различные компоненты-модули СВВ. Изменение конфигурации ЭВМ
обеспечивается за счет кабельных соединений и модификации
программ управления аппаратными модулями. Концепция перемен¬
ного состава оборудования требует стандартизации форматов сооб¬
щений, алгоритмов управления обменом между аппаратными
модулями, способов добавления новых программных модулей. Такая
стандартизация определяет архитектуру системы (семейства или ряда)
ЭВМ, которая допускает в определенных пределах изменение
количества и состава модулей (в первую очередь ПУ) и обеспечивает
при этом информационную и программную совместимость. Инфор¬
мационная совместимость всех ЭВМ одной системы достигается
едиными способами кодирования информации и единым форматом
данных. Программная совместимость означает возможность выпол¬
нения программ (без каких-либо изменений) в различных конфигу¬
рациях ЭВМ, что достигается единой системой команд и одинаковой
организацией операционных систем. Аппаратная совместимость мо¬
дулей обеспечивается унифицированной системой сопряжения —
интерфейсами различных уровней — и едиными способами управ¬
ления.
Реализация ЭВМ в виде системы с переменным составом
оборудования позволяет расширить номенклатуру ПУ и упростить
общение пользователя с машиной при решении научных задач за
счет расширения алфавита сообщений и представления результатов
12
в виде таблиц с комментариями и графиков; при решении задач
управления становится возможным отображать и документировать
ход процесса управления.
Система ЭВМ объединяет различные модели, ориентированные
на решение преимущественно одного класса задач, хотя эти модели
й различаются по производительности. В моделях ЭВМ различных
систем могут использоваться ПУ одного функционального назначения,
но существенно отличающиеся по своим характеристикам. С точки
зрения ориентации машин на тот или иной класс задач, организации
СВВ, состава и характеристик основных ПУ выделим следующие
классы ЭВМ.
Персональные ЭВМ (ПЭВМ) предназначены для рабо¬
ты с одним пользователем в режиме индивидуального доступа. Этот
класс охватывает широкий круг ПЭВМ от профессиональных до
домашнего пользования. СВВ персональных ЭВМ отличаются
сравнительной простотой организации, наличием ограниченного числа
дешевых ПУ, среди которых наиболее распространены клавиатуры
для ввода информации, дешевые устройства отображения для вывода,
ВЗУ на гибких магнитных дисках (ГМД) и магнитных модулях, а
также последовательные устройства печати (ПчУ). Большинство
современных ПЭВМ оборудуются средствами подключения к локаль¬
ным сетям; они ориентированы на непрофессионального пользователя,
поэтому одно из основных требований к СВВ заключается в
организации наиболее естественного общения — в форме диалога,
посредством графики, а в будущем посредством и речи. Повышение
производительности привело к тому, что ПЭВМ в известной степени
теряют «персональный» характер, т.е. в них обеспечивается возмож¬
ность режима коллективного доступа с подключением нескольких
терминалов. Примерами ПЭВМ могут служить ЕС-1841, ЕС-1842,
«Нейрон» и ряд других с архитектурой IBM PC, а также ДВК-3,
«Электроника-85».
Управляющие м икроЭВМ ориентированы на работу
в реальном масштабе времени по управлению объектами и техно¬
логическими процессами. СВВ управляющих микроЭВМ должна
обеспечивать быструю реакцию на изменения в состоянии управля¬
емых объектов. Характерными ПУ для ЭВМ этого класса являются
цифроаналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые (АЦП) преобразователи
и УВВ дискретных сигналов, входящие в состав УСО; кроме того,
Управляющие микроЭВМ часто объединяют с другими ЭВМ в
многомашинные вычислительные комплексы (ВК) и системы (ВС)
посредством различных устройств сопряжения. Конструктивно
МикроЭВМ часто выполняют в виде встраиваемых в системы
Управления. Примерами могут служить микроЭВМ «Электроника-60»
и семейства СМ-1800.
13
М и н и Э В М вначале предназначались для управления слож¬
ными объектами и технологическими процессами, однако с ростом
вычислительных возможностей основными областями использования
миниЭВМ становятся многопользовательские системы для авто¬
матизации проектно-конструкторских работ, разработки программного
обеспечения МП систем и т.п. СВВ миниЭВМ сохранили черты
управляющих машин, однако состав ПУ значительно расширился.
МиниЭВМ могут работать как в режиме реального времени, при
этом в качестве основных ПУ используются У СО, так и в диалоговом
режиме коллективного доступа, при этом наиболее распространен¬
ными ПУ являются дисплеи, ПчУ, ВЗУ большой емкости со сменными
пакетами МД или со сменными модулями, а также устройства
сопряжения с каналами связи для организации дистанционного
доступа. Наиболее характерными примерами миниЭВМ являются
машины семейств СМ-1 (например, СМ-2М), СМ-4 (СМ-1420) й
СМ-1700. В большинстве мини- и микроЭВМ различных семейств
могут использоваться одинаковые ПУ, но с различными контролле¬
рами.
ЭВМ общего назначения предназначались для
решения широкого круга задач научного, инженерного и экономиче¬
ского характера. На базе ЭВМ этого класса создают вычислительные
центры коллективного пользования. СВВ в ЭВМ общего назначения
ориентированы на работу в пакетном режиме и в режиме
коллективного доступа; в состав СВВ входят разнообразные сложные
ПУ высокой производительности. Помимо большого числа УВВ, таких
как УВВ с промежуточных носителей, графических УВВ, устройств
сопряжения с каналами связи для дистанционного доступа, УВВ
индивидуального пользования, в состав ПУ входят ВЗУ большой
емкости на сменных пакетах МД и магнитных модулях, на
оптических дисках. При проектировании СВВ этого класса машин
одним из основных требований является обеспечение сбалансирован¬
ности СВВ и средств обработки. Под сбалансированностью понимают
такое соотношение между производительностью ЦП и пропускной
способностью СВВ, при котором объем перерабатываемой за единицу
времени информации соответствует объему введенной и выведенной
информации за тот же интервал времени. При условии полной
сбалансированности ЦП и СВВ работают без простоев, чем
достигается наилучшее отношение производительности к стоимости
оборудования. При увеличении пропускной способности стоимость
СВВ возрастает, а рост производительности ЭВМ сдерживается
средствами обработки; при несбалансированном увеличении
производительности процессора СВВ не обеспечивает его загрузку и
ЦП простаивает. Сбалансированность зависит от классов решаемых
задач, в частности от соотношения числа операций обработки и
ввода-вывода, и от режимов обслуживания пользователей; она
никогда не бывает полной и рассчитывается исходя из наиболее
типичного (стандартного) набора задач. Примерами ЭВМ этого класса
могут служить машины ЕС ЭВМ и комплексы «Эльбрус».
14
СуперЭВМ по существу представляют собой высоко¬
производительные проблемно-ориентированные ВС, предназначенные
дЛЯ выполнения достаточно узкого класса задач. В зависимости от
класса решаемых задач суперЭВМ, быстродействие которых в
настоящее время достигает сотен миллионов операций в секунду,
могут комплектоваться различными, порой очень сложными и
дорогими ПУ. При создании суперЭВМ основной задачей является
достижение максимального быстродействия. Чтобы разгрузить цент¬
ральную часть суперЭВМ от участия в выполнении операций
ввода-вывода, часто организацию и управление этими операциями
возлагают на дополнительную ЭВМ. Однако во многих случаях
производительность дополнительной ЭВМ оказывается недостаточной
для обеспечения полной загрузки обрабатывающей части суперЭВМ.
В суперЭВМ в зависимости от назначения и общей архитектуры
приходится решать проблемы ввода-вывода по-разному. Примером
суперЭВМ может служить система ПС-2000.
Некоторые сравнительные характеристики этих типов ЭВМ
приведены в табл. 1.1.
Т а б л и ц а 1. 1
Класс ЭВМ
Характеристика
СуперЭВМ
ЭВМ обще¬
го назначе¬
ния
МиниЭВМ
МикроЭВМ
ПЭВМ
Быстродейстевие
ЦП, млн оп/с
100-1000
5-20
0,8-5
0,4-2
0,4-2
Объем ОП, Мбайт
16-32
4-32
0,5-4
0,25-1
0,1-2
Длина машинного
слова, бит
16-64
32-64
16-32
8-16
8-16
Пропускная способ¬
ность СВВ, Мбайт/с
50 и выше
5-50
2-5
0,5-5
0,2-1
Приведенные характеристики непрерывно улучшаются. В
машинах различных классов часто применяются ПУ одинакового
назначения, но построенные с использованием различных физических
принципов и обладающие различными характеристиками.
1.2. Классификация и характеристики периферийных устройств
Периферийные устройства можно классифицировать по способу
представления преобразуемой информации, по функциональному
назначению и направлению обмена, по быстродействию и характеру
Цикла, по способу использования одним или несколькими пользова¬
телями.
По способу представления информации во
внешнем мире и назначению все ПУ можно разделить на устройства
15
ввода-вывода речевой, графической и текстовой информации, ввода-
вывода аналоговых сигналов, внешней памяти и системы меж¬
машинных связей. В зависимости от направления обмена все ПУ
делят на устройства ввода (УВв), вывода (УВыв) и двустороннего
обмена. В отдельную функциональную группу принято выделять
устройства подготовки данных (УПД), входящие в состав СПД и
непосредственно не связанные с ЭВМ. Каждая из перечисленных
функциональных групп включает в себя широкую номенклатуру ПУ,
различающихся характеристиками, параметрами и принципами
действия. Так, в группу УВв входят УВв алфавитно-цифровой
информации с промежуточного носителя, с первичного документа
(читающие устройства), клавиатуры, УВв графической и речевой
информации, АЦП и т.д. Группа устройств вывода включает в себя
печатающие устройства (ПчУ), устройства отображения (УО),
синтезаторы речи, графопостроители, ЦАП, устройства микро¬
фильмирования. ВЗУ используют магнитные и оптические методы
регистрации и обеспечивают хранение от сотен килобайт до
нескольких гигабайт информации.
В состав СВВ помимо ПУ входят устройства управления обменом.
По своему функциональному назначению они могут
быть подразделены на группы процессоров ввода-вывода (ПВВ),
контроллеров (устройств управления ПУ), абонентских пунктов
(средств, обеспечивающих дистанционный доступ к ВС). Разбиение
устройств СВВ на функциональные группы положено в основу
принятой в СССР системы обозначений — каждое устройство обоз¬
начается буквенно-цифровым индексом. Цифровая часть индекса
определяет принадлежность устройства к той или иной группе, а
буквенная (ЕС, СМ или Т) — к тому или иному семейству ЭВМ.
Так, индекс СМ-6315 служит для обозначения параллельного ПчУ,
подключаемого посредством контроллера СМ-6005 к ЭВМ семейства
СМ-4. При наличии соответствующих контроллеров ПУ с буквенным
обозначением СМ или Т в индексе могут подключаться к мини- и
микроЭВМ различных семейств и входить в состав различных
абонентских пунктов. ПУ с буквенной частью индекса «ЕС» могут
использоваться для различных систем общего назначения, суперЭВМ,
а также для . высокопроизводительных миниЭВМ. Так, система
внешней памяти ЕС ЭВМ, включающая накопители ЕС-5067 со
сменными магнитными пакетами дисков ЕС-5267 емкостью 200
Мбайт, устройство группового управления ЕС-5565 и контроллеры
ЕС-5667, может использоваться и в качестве внешней памяти
суперЭВМ. Некоторые ПУ, используемые в системах ЕС и СМ ЭВМ,
имеют двойной индекс, как например, последовательное ПчУ
ЕС-7189/СМ-6325.
На структурную организацию СВВ наибольшее влияние оказы¬
вают быстродействие ПУ и способ его использования. Возможны два
16
способа: ПУ предоставляется в
индивидуальное пользование одному
пользователю на все время решения
задачи либо в коллективное пользо¬
вание нескольким пользователям. Если
ЭВМ выполняет несколько задач (в
режиме разделения времени), результа¬
ты которых выдаются на одно ПчУ, то
печать результатов от различных задач
не должна перемежаться. Такое ПУ
может быть отнесено к устройствам
коллективного пользования, закрепляе¬
мым на время выполнения за одной
программой. В отличие от ПчУ дисплей
каждого пользователя отдается ему на
весь период работы с машиной: такие
ПУ являются устройствами индивиду¬
ального пользования. Для ПУ кол¬
лективного пользования должны быть
предусмотрены специальные меры,
исключающие одновременно использо¬
вание их несколькими программами.
Чтобы классифицировать ПУ в соответствии с быстродей¬
ствием и понять значение такой классификации для организации
СВВ, рассмотрим вначале некоторые типичные действия ПУ. В
качестве примера остановимся на наиболее простом, хотя ь настоящее
время редко используемом, УВв с перфоленты.
Перфолента (ПЛ) представляет собой (рис. 1.1) узкую бумажную (или выполненную из
иного тонкого материала) ленту, на которую информация нанесена путем пробивки круглых
отверстий на информационных или кодовых дорожках (ИД), обозначенных номерами 0-7
и расположенных вдоль края ленты. Одна из дорожек — транспортная (ТД), находящаяся
в средней части ленты, содержит непрерывную последовательность отверстий меньшего
диаметра. Эта дорожка служит для перемещения ПЛ и синхронизации процессов считы¬
вания информации. Совокупность кодовых позиций (с пробивками или без них) в направ¬
лении, перпендикулярном краю ленты, называется строкой (Стр). В каждой строке, которая
в зависимости от используемой системы кодирования может состоять из 5,7 или 8 позиций,
записывается код одного символа. УВв с ПЛ включает в себя узлы перемещения ленты,
синхронизации, считывания и передачи информации в машину.
Выполняемые в таком УВв действия сводятся к перемещению строки ПЛ в положение
считывания, где с Помощью механических, фотоэлектрических или индукционных
Датчиков, называемых считывающей головкой (СчГ), совокупность пробивок преобразуется
в совокупность высоких и низких потенциалов. Код символа, представленный в виде сово¬
купности высоких и низких потенциалов, передается на регистр данных (РгД) и затем в
машину.
Описанные действия достаточно типичны для большинства ПУ
и позволяют выделить следующие характерные этапы работы:
— подготовка кванта информации, которая в рассматриваемом
примере свелась к перемещению ПЛ в положение считывания и к
преобразованию способов кодированного представления информации;
17
— передача подготовленного кванта между РгД ПУ и соответ¬
ствующим регистром в центральной части СВВ;
— ожидание (для некоторых типов ПУ), в течение которого
действия в ПУ приостанавливаются до получения сигналов разре¬
шения от ЦУ.
Переход от этапа к этапу осуществляется под воздействием
сигналов управления в определенной последовательности, повторя¬
ющиеся элементы которой образуют полный цикл работы ПУ. В
общем случае полный цикл ПУ, длительность которого составляет
Тпу, состоит из этапов подготовки, ожидания и передачи. Для
большинства ПУ, таких, как ПчУ, ВЗУ на подвижных магнитных
носителях, клавиатуры, УВв с промежуточных носителей и т.п., этап
подготовки выполняется с участием электромеханических узлов, а
этап передачи — с участием электронных узлов, вследствие чего
продолжительность этапа подготовки Тпо^г существенно превышает
длительность этапа передачи Т^р^. Во многих интеллектуальных
ПУ этап подготовки заключается в преобразовании форм представ¬
ления информации и реализуется электронными схемами, однако
алгоритмы такого преобразования достаточно сложны, поэтому
длительность этапа подготовки и в этом случае обычно превышает
длительность этапа передачи, т.е. Тгю^г > Т^р^. Особенности цикла
ПУ и его длительность оказывают непосредственное влияние на
организацию СВВ в целом и на способы подключения конкретного
ПУ.
С точки зрения длительности цикла все ПУ можно разделить
на следующие группы:
— низкоскоростные, быстродействие которых составляет менее
100 симв/с. В эту группу входят УВВ непосредственной связи с
пользователем — клавиатуры, консоли, а также медленные УВВ,
использующие промежуточный носитель. Для ПУ этой группы
характерным квантом информации является символ, кодируемый в
виде байта. Быстродействие таких ПУ в основном ограничивается
возможностями человека-оператора;
— среднескоростные, быстродействие которых может достигать
1000 симв/с и выше. К ним относят ПчУ различных типов,
графопостроители, У СО, У О, аппаратуру передачи данных (АПД) и
т.д., а также различные интеллектуальные ПУ. За один цикл может
быть подготовлен квант информации из одного байта или группы
байт. В первом случае ПУ называют последовательным, во втором —
параллельным (например, последовательное и параллельное ПчУ);
— высокоскоростные, быстродействие которых может достигать 1
Мбайт/с. Эта граница, как и указанные выше, условна и изменяется
с развитием элементной базы и техники ПУ. Наиболее характерными
представителями этой групы ПУ являются ВЗУ на МД, сложные
системы графического взаимодействия с пользователем. Характерной
особенностью ПУ этого типа является обмен достаточно большими
квантами информации — блоками, состоящими из множества байт.
18
Первоначальная подготовка блока требует значительных затрат
времени, а подготовка байта в пределах блока выполняется достаточно
быстро;
— сверхбыстродействующие устройства со скоростью передачи
выше 1 Мбайт/с. К числу таких ПУ можно отнести ВЗУ на МД
большого объема (свыше 100 Мбайт в пакете или модуле),
предназначенные для машин общего назначения и суперЭВМ. Для
этих ПУ также характерен обмен большими информационными
блоками.
В соответствии с характером цикла все ПУ делятся на
группы синхронных и асинхронных устройств. Для синхронных ПУ
цикл постоянен и обычно включает в себя только два этапа:
подготовки и передачи, т.е. Т^Т^^Т^р^. Для асинхронных ПУ
цикл имеет переменную длительность, определяемую тремя слагае¬
мыми ТПу~Тподг^"Тnepeff^~Тпричем непостоянство длительности пол¬
ного цикла ПУ объясняется непостоянством времени подготовки или
ожидания. В любом обмене участвуют два устройства — передатчик
и приемник; моменты времени передачи и приема (с учетом задержки
на линиях связи) должны совпадать. В некоторых случаях для
обеспечения этого условия в ПУ предусматривают буферное ЗУ
небольшого объема, позволяющее в некоторой степени произвольно
задерживать момент приема кванта информации относительно
момента его выдачи. Такие ПУ называют буферизованными.
Таким образом, в соответствии с характером цикла ПУ и
наличием в нем буфера, а также величиной подготавливаемых
квантов информации все ПУ можно подразделить на синхронные и
асинхронные, буферизованные и небуферизованные, с байтовой или
блоковой организацией.
Центральные и периферийные устройства ЭВМ отличаются принципами действия,
величиной кванта информации и быстродействием, причем различие в быстродействии
может достигать нескольких порядков. Несмотря на значительное улучшение характеристик
ПУ, достигнутое за последние годы, разрыв в быстродействии центральных и периферийных
устройств еще более возрос, так как рост быстродействия центральных устройств идет более
быстрыми темпами. Во многих случаях быстродействие ПУ принципиально ограничено
возможностями источников и потребителей информации во внешнем мире, например, воз¬
можностями человека-оператора воспринимать текст на экране У О.
1.3. Функции системы ввода-вывода и ее структура
Задача СВВ состоит в организации и управлении процессом
передачи информации от ПУ в ОП машины при вводе и в обратном
направлении при выводе, т.е. в выполнении операций ввода-вывода.
Основные функции СВВ и способы их реализации. С точки
3Рения СВВ любое ПУ представляет собой генератор данных (или
потребитель) ГенД квантов данных [Di], который может запускаться
в работу сигналами [Q] от управляющих компонентов СВВ и
сообщать им о своем состоянии сигналами [Si], как показано на рис.
19
С,
СВВ
синхр
л 1 0 _
^ 1 У
Л к
Г /Л лТ
РгД
ОП
ГенД
Л r N
мУ—У
/ с
dl Sl
—*— А
ГенА d
„ (AiA£\
М V
РгА
Рис. 1.2
1.2, Длительность интервалов формирования последовательных кван¬
тов информации в таком генераторе и кванты данных существенно
отличаются от длительности интервалов обработки и квантов в
центральных устройствах машины. Поэтому основные функции СВВ
можно сформулировать следующим образом:
— преобразование квантов (или форматов) информации,
принимаемых от ПУ при вводе, в форматы ЦП и ОП; обратное
преобразование — при выводе;
— определение места в ОП, где должен быть размещен
сформированный машинный квант при вводе или откуда должен быть
выбран при выводе, т.е. формирование текущею адреса ОП. Таким
образом, средства СВВ могут рассматриваться как генератор адресов
ГенА оперативной памяти [АП, формируемых синхронно для каждого
генерируемого в ПУ кванта данных [Di ]. ГенД и ГенА связаны с
регистрами данных РгД и адреса РгА в ОП машины;
— фомирование управляющих сигналов {Ci} для работы ПУ в
различных режимах, задание типа выполняемой операции в ПУ и
т.д.;
— получение и обработка сигналов {Si}, характеризующих
состояние ПУ, возможность выполнения им тех или иных действий;
— получение приказов от центральных устройств на выполнение
операций ввода-вывода, формирование сообщений о состоянии СВВ;
— синхронизация процессов в ЦУ и ПУ, согласование скоростей
их работы.
Простейшая реализация перечисленных функций возможна при
центрально-синхронном принципе управления. При этом
синхронизация всех устройств ЭВМ осуществляется от единого
центрального УУ, а все передачи данных от ПУ или к нему
производятся через АЛУ. Структура ЭВМ с центрально-синхронным
принципом управления показана на рис. 1.3. Обрабатывающая (цен¬
тральная) часть машины заштрихована, сплошными линиями пока¬
заны связи для передачи данных и адресов; штриховыми — связи
для управляющих сигналов и команд.
20
При центрально-синхронном управлении все операции обработки
и ввода-вывода должны выполняться последовательно, т.е. на время
ввода-вывода все операции обработки прекращаются и ЭВМ переходит
к выполнению следующей команды обработки только после выпол¬
нения всех действий, связанных с передачей данных. В системе
команд машины должны быть предусмотрены специальные команды
операций ввода-вывода, отражающие специфику управления конк¬
ретными УВв и У Выв. Одна выполняемая команда служит для
передачи одного кванта информации; при необходимости передачи
массива информации должны быть организованы циклические прог¬
раммы. Поскольку в операциях ввода-вывода участвуют устройства
с существенно различным быстродействием, то длительность
единичной операции Твв определяется быстродействием самого
медленного устройства (т.е. ПУ) и существенно превышает длитель¬
ность операции обработки Та. Длительность решения задачи для
такой ЭВМ можно определить как
Тр=(ссаТа+аввТвв)п (1.1)
где аа— доля арифметико-логических операций в программе;
Та — среднее время операции обработки;
&вв — доля операций ввода-вывода;
Твв — среднее время выполнения операции ввода-вывода;
п — общее число выполняемых команд программы.
Эта длительность непосредственно зависит от быстродействия
используемых ПУ и доли операций ввода-вывода. Центрально¬
синхронный принцип управления требует меньших аппаратных
затрат; он был характерен для первых ЭВМ, используемых в научных
расчетах. Увеличение доли операций ввода-вывода при переходе к
задачам обработки данных делало этот принцип практически
непригодным. Кроме того, при использовании этого принципа
невозможно построение систем с переменным составом оборудования.
Улучшить производительность ЭВМ можно за счет организации
21
Текущая программа
параллельного выполнения операций обработки и ввода-вывода. При
наличии средств автономного управления работой ПУ непосредствен¬
ное участие центральных устройств в обмене информацией с ПУ
может ограничиваться тактом передачи ПУ, который, как указывалось
выше, значительно короче такта подготовки. Кроме того, при
операциях обработки лишь часть времени выполнения команды в
АЛУ уходит на обращение к ОЗУ, поэтому выделение специальных
средств управления и доступа к памяти со стороны ПУ позволяет
существенно повысить производительность ЭВМ. Однако при этом
должен быть реализован асинхронный принцип управления, обес¬
печивающий независимость работы ПУ, ОЗУ и АЛУ. На рис. 1.4.
приведен пример временной диаграммы параллельной работы ЦП и
ПУ. ПУ начинает работу по команде запуска, после чего работает
автономно, подготавливая квант информации. ЦП продолжает
выполнение текущей программы. Подготовив квант информации, ПУ
посылает сигнал запроса процессору и ЦП приостанавливает
выполнение текущей программы для получения подготовленного
кванта. По окончании работы ПУ посылает процессору сигнал,
подтверждающий завершение операции. Параллельная работа ПУ и
ЦП осуществляется в тактах подготовки кванта информации в ПУ.
Во время тактов передачи центральные и периферийные устройства
используются совместно, поэтому в эти моменты для организации
обмена необходимо синхронизировать их работу. С этой целью
используются прерывания и приостановки, рассмотренные ниже.
При параллельном выполнении операций обработки и ввода-вы¬
вода длительность решения задачи может быть определена как
Тр=[ссаТа+ссвв(1—Кп)Твв]п (1.2)
где Кп — коэффициент перекрытия, или совпадения во времени, one
раций обработки и ввода-вывода, характеризующий, какую долю
цикла ПУ процессор и ПУ могут работать независимо. При отсутствии
перекрытия,т.е. при последовательном выполнении операций, Кп= 0;
при полном перекрытии, когда операции обработки и ввода-вывода
22
выполняются совершенно независимо и не оказывают влияния друг
на друга, Кп =1.
В реальных ВС в зависимости от степени и способа реализации
условий, необходимых для параллельной работы центральных и
периферийных устройств, этот коэффициент может принимать любые
значения в интервале (0,1). Для увеличения Кп необходимо
выполнить следующие условия:
— управление ПУ при подготовке квантов информации должно
осуществляться автономными схемами, работающими независимо от
ЦУ;
— в ЭВМ должны быть предусмотрены средства и связи для
передачи квантов информации между ПУ и ОП, минуя АЛУ, так
называемые средства прямого доступа к памяти;
— должны быть предусмотрены средства для синхронизации
параллельного выполнения асинхронных процессов обработки в
центральных устройствах и подготовки квантов информации в ПУ;
— в течение всего процесса ввода-вывода ЦУ должны быть
загружены операциями обработки, чтобы причиной простоев, возника¬
ющих в них, не была нехватка исходных данных или команд.
Структура ЭВМ с асинхронным параллельным выполнением
операций обработки и ввода-вывода показана на рис. 1.5. В этой
структуре предусмотрены дополнительные тракты передачи данных
между УВв, УВыв и ЗУ, тем самым обмен происходит, минуя АЛУ.
Управление работой ПУ, формирование текущих адресов и запросов
к памяти осуществляется посредством специальных схем управления
(канала ввода-вывода — КВВ), взаимодействие которых с ЦП
Реализуется через систему прерываний и приостановок.
23
Средства совмещения операций обработки ввода-вывода.
Основными средствами, позволяющими совместить операции обра¬
ботки и ввода-вывода, являются прерывания и приостановки. Эти
средства обеспечивают возможность взаимодействия асинхронно
протекающих процессов. Помимо средств прерывания и приостановок
для параллельного выполнения операции широко используются
различные виды буферизации.
Прерывание — процесс переключения ЦП с одной програм¬
мы на другую по внешнему сигналу с сохранением информации для
последующего возобновления прерванной программы. Необходимость
в прерывании возникает в том случае, если некоторое внешнее по
отношению к ЦП событие требует от него немедленной реакции.
Реакция на такое событие (например, ПУ завершило подготовку
кванта информации) состоит в том, чтобы выполнить специально
предусмотренную для данного события программу. Процесс преры¬
вания иллюстируется на рис. 1.6, где ПУ при возникновении события,
требующего реакции со стороны ЦП, формирует сигнал, называемый
запросом прерывания. Он может поступать в ЦП в произвольные
моменты времени асинхронно по отношению к выполнению програм¬
мы, поэтому запросы прерываний запоминаются на специальном
регистре, называемом регистром запросов прерываний РгЗП.
Состояние РгЗП анализируется аппаратными или программными
средствами в определенные моменты выполнения программы или
команды. В простейшем случае после выполнения каждой команды
(текущей прерываемой программы) схемы управления производят
опрос состояния РгЗП и при наличии в нем единицы переходят к
выполнению прерывания. Интервал времени ожидания между момен¬
том поступления сигнала запроса прерывания в РгЗП и моментом
начала обработки прерывания называют временем реакции на
прерывание. Обработка прерывания включает в себя этапы за¬
поминания состояния прерываемой программы и перехода к выпол¬
нению прерывающей программы ( тз ); собственно выполнения
прерывающей программы ( тпп ); восстановления состояния прерван¬
ной программы и возврата к ее выполнению ( тв ). Интерва¬
лы тз и тв представляют собой накладные затраты, зависящие от
способа реализации системы прерываний, которые в случае исполь¬
зования механизма прерываний для согласования моментов времени
передачи данных между ЦП и ПУ могут существенно снизить
возможность параллельного выполнения операций обработки и
ввода-вывода, а в некоторых случаях — сделать его невозможным.
В реальных СВВ существует несколько внешних источников запросов прерывания;
кроме того, сигналы прерывания формируются и другими схемами, например, схемами
контроля ЦП, системы питания, памяти и т.п., при возникновении событий, время которых
невозможно предсказать. При наличии нескольких источников запросов прерывания уста¬
навливается определенный порядок их обслуживания путем назначения приоритетов. За¬
просы прерываний в зависимости от назначенного приоритета направляются на различные
разряды РгЗП, опрос которых производится в строго определенной последовательности.
24
Номер разряда РгЗП не только определяет приоритет запроса, но и позволяет найти соответ¬
ствующую данному запросу программу обслуживания прерывания. Поступивший запрос на
прерывание может прервать только менее приоритетную программу. Таким образом, время
задержки в обнаружении запроса определяется не только временем реакции системы пре¬
рываний, но и числом ожидающих обработки запросов более высокого приоритета.
Помимо рассмотренной системы прерываний широко распространена так называемая
векторная система, информация о месте возникновения запроса в ней передается от
источника прерывания в виде адреса ячейки памяти, содержимое которой определяет вы¬
полнение конкретной программы обслуживания. Кроме адреса перехода к программе
обслуживания прерывания эта ячейка (или несколько последовательных ячеек) хранит
дополнительную управляющую информацию. Содержимое ячеек принято называть векто¬
ром прерываний. Векторный способ организации прерываний распространен в мини- и
микроЭВМ и подробнее рассмотрен в разделах 2.3 и 3.3.
Систему прерываний характеризуют способом опроса РгЗП,
общим числом входов от внешних источников; числом уровней
прерывания, по которым сгруппированы определенные источники;
глубиной прерывания, т.е. максимальным числом программ, которые
могут быть последовательно прерваны друг другом; системой
приоритетов; организацией переходов к следующей программе. Все
эти характеристики системы прерываний оказывают существенное
влияние и на характеристики СВВ.
Приостановка — процесс, при котором средства управ¬
ления, работающие автономно от ЦП, задерживают его работу на
время цикла памяти Тц, при этом ОЗУ непосредственно занято
приемом или выдачей информации для другого устройства. Во время
приостановок текущее состояние процессора не меняется, но выпол¬
нение программы (команды) задерживается до освобождения ОЗУ.
Процесс приостановки работы ЦП показан на рис. 1.7. Если обращение
процессора к ОЗУ произошло в момент времени ti, но ОЗУ занято
вьтолнением записи-чтения данных от другого источника (например,
от СВВ), то работа ЦП приостанавливается на время т до момента
1г освобождения ОЗУ. Во время приостановки, максимальная
Длительность которой составляет т ^ Тц , ЦП никаких действий не
выполняет. Приостановки, называемые также занятием цикла памяти,
широко используются при организации любых СВВ. Они обеспечива-
Ют высокую степень совмещения операций обработки и ввода-вывода,
25
Освобождение ОЗУ
Выполнение команды (k+f)'///
Обращение к
ОЗУ от ЦП
Обоаыение к ОЗУ от СВВ
Рис. 1.7
которая тем выше, чем меньше длительность цикла памяти Тц
относительно длительности команды процессора Тк. Задержки,
вызванные приостановками, снижают эффективную производитель¬
ность ЦП по сравнению с максимальной расчетной, но это снижение
значительно меньше, чем при использовании прерываний. Однако
возможности приостановок ограничены непосредственной передачей
данных при обращении к ОЗУ; поэтому для выполнения каких-либо
действий по управлению СВВ со стороны ЦП необходимы прерывания.
В быстродействующих ЭВМ общего назначения и суперЭВМ для
уменьшения накладных расходов, вызванных приостановками, стре¬
мятся уменьшить их число. Один из наиболее действенных способов
уменьшения числа приостановок заключается в реализации памяти
в виде совокупности (в простейшем случае в виде двух) отдельных
модулей ОЗУ, обладающих собственными схемами выборки. При
параллельной работе ЦП и СВВ им отводятся различные автономные
модули ОЗУ. Обращения ЦП и СВВ к выделенным модулям ОЗУ
полностью независимы и не приводят к приостановкам. Однако после
завершения операции ввода-вывода, т.е. полного вывода данных из
предоставленного СВВ модуля или ввода данных в него, должно быть
сформировано указание операционной системе, на основании которого
модуль памяти, принадлежащий ранее СВВ, будет передан ЦП (тем
самым ЦП получает доступ к введенным данным), а для СВВ будет
назначен другой модуль. Такая организация делает практически
независимыми операции ввода-вывода, но усложняет управление
вычислительным процессом и увеличивает объем аппаратуры.
При работе нескольких автономно функционирующих устройств
очень важно, чтобы любое устройство получило ответ на свой запрос
за достаточно короткое время. Так, если ЦП передает в СВВ команду
на выполнение операции обмена, то он вправе ожидать ее
выполнения. Однако во многих случаях такая команда принята к
исполнению быть не может и СВВ должна сообщить об этом ЦП.
26
3 некоторых случаях СВВ, если она, например, неисправна, даже
не сможет предупредить об этом ЦП, и он будет бесконечно ожидать
ответа. Для исключения случаев бесконечного ожидания в СВВ
широко применяют принцип «таймаута», т.е. принцип, согласно
которому ответ от запрашиваемого устройства должен быть получен
за наперед заданный интервал времени. При неполучении ответа за
установленый интервал запрос снимается, а запрашиваемая система
(или устройство) считается неспособной выполнить запрос. Принцип
таймаута используется на всех уровнях СВВ.
Исключение простоев в работе ЦП. Обработка в ЦП не должна
задерживаться из-за отсутствия в основной памяти информации,
подлежащей обработке, или занятости необходимых областей резуль¬
татами предыдущей обработки.
При однопрограммном режиме работы, т.е. когда
программы в ЦП выполняются строго последовательно и переход к
следующей осуществляется только после завершения предыдущей,
вероятность простоя ЦП из-за отсутствия необходимых для. продол¬
жения вычислений данных может быть значительно уменьшена путем
организации опережающего ввода.
При опережающем вводе вся иноформация, подлежащая вводу,
разбивается на несколько порций. Вначале производится ввод первой
порции, содержащей программу и данные, необходимые для начала
операции обработки. Вторую порцию информации СВВ вводит при
параллельно работающем ЦП. Если ввод второй порции информации
завершается до окончания обработки первой порции* то ЦП
простаивать не будет. Для такой организаци вычислительного
процесса необходимо, чтобы программа предвосхитила потребность в
данных и начала их ввод заранее. При однопрограммном режиме
работы вывод данных может быть организован параллельно с
обработкой, начиная с момента их получения.
Значительно большие возможности по загрузке ЦП предостав¬
ляет мультипрограммный режим, который предполагает
наличие в ОП нескольких независимых программ, принятых на
обслуживание. Программы (или участки одной программы) можно
считать независимыми, если каждая из них может быть выполнена
без использования результатов обработки других программ. При
мультипрограммном режиме обслуживание, т.е. обработка, ввод или
вывод любой программы, может быть начато независимо от того,
завершилась ли обработка других программ. Среди программ,
принятых к обслуживанию и находящихся в ОП, могут быть
программы, готовые к обработке; некоторые программы могут
требовать ввода данных, другие программы завершили обработку и
придают операции вывода. Все программы (или их запросы)
находятся в очередях к соответствующим устройствам: УВв, У Выв,
ЦП, переходя по мере выполнения соответствующих операций
Из одной очереди в другую.
27
Пример ускорения за счет параллельного выполнения операций
обработки и ввода-вывода приведен на рис. 1.8. Для сравнения на
той же временной диаграмме показано последовательное выполнение
программ А, В и С в однопрограммном режиме (а), в однопрограм¬
мном режиме с опережающим вводом (б) и мультипрограммном
режиме (в). Все программы разбиты на участки ввода Вв (А1, АЗ,
Bl, С2), обработки Обр (А2, А4, В2, Cl, СЗ) и вывода Выв (А5,
ВЗ,С4). Для сравнения очередность выполнения участков во всех
трех случаях показана одинаковой. Дополнительные затраты вре¬
мени %доп при опережающем вводе и мультипрограммном режиме
работы связаны с необходимостью распределения участков программ
по автономно работающим устройствам и координации их работы.
На рисунке эти затраты времени условно показаны в виде одного
суммарного интервала в конце выполнения программ (а не в виде
отдельных интервалов перед каждым участком программ). Из
временной диаграмы видно, что суммарное время на выполнение
всех трех программ А, В и С при мультипрограммном
режиме TeZ существенно меньше, чем при однопрограммном, как
без опережающего ввода Та£ , так и с опережающим вводом T6L ,
однако время решения конкретной задачи при этом не только не
снижается, но и может значительно увеличиваться из-за вклинивания
участков других программ.
Кроме того, при мультипрограммном режиме работы могут
возникать дополнительные трудности при организации вывода на
коллективно используемое ПУ, например, ПчУ, с помощью которого
печатаются результаты всех программ. Совершенно очевидно, что
прежде чем начать печатать результаты решения очередной задачи,
необходимо закончить печать результатов предыдущей, т.е. как бы
«закрепить» ПУ за определенным заданием. Это закрепление
накладывает серьезные ограничения на последовательность выпол¬
нения участков программ в мультипрограммном режиме и на
возможности параллельной обработки и ввода-вывода. Системный
вывод, т.е. предварительное занесение результатов обработки в
буферные области ОЗУ или ВЗУ, отведенные для каждой задачи,
позволяет частично устранить отмеченные трудности. Вывод резуль¬
татов на коллективно используемое ПУ осуществляется непосредст¬
венно из этих буферных областей как только ПУ освобождается
полностью от предыдущей задачи. Поскольку результаты обработки
были помещены в буферные области в том виде, в каком они
выдаются на ПУ, то никакой дополнительной обработки (кроме
согласования скорости вывода из буфера со скоростью работы ПУ)
не требуется и данный вывод СВВ во многих случаях можно
производить автономно.
Большинство перечисленных функций по согласованию скоро¬
стей, обеспечению синхронизации автономно работающих устройств,
28
Обр
Выв
Вв
Обр
Выв
Вв
Обр
Выв
4/
АЗ
В!
С2
!
1 1
t
А2 44 |
1 щ
а
сз
А5
!
ВЗ
£4
t
Та!
t
а)
А1 АЗ
BJ
А2
tKL
С2
дГ~| \ci\cs
' t
1 I ■
| А5 I рг| [~С4~
'61
б)
Ыоп
А1 В1 АЗ С2
CJ А2
В2 44 СЗ
I I
ВЗ А5 /74
1Ы
в)
Рис. 1.8
формированию адресов, преобразованию форматов и т.д. выполняется
каналом ввода-вывода.
1.4. Канал ввода-вывода
Канал ввода-вывода (КВВ) представляет собой совокупность
аппаратных и программных средств, предназначенных для
организации, управления обменом и непосредственной передачи
Данных межДу ОП и ПУ. Таким образом, КВВ является функциональ¬
ным элементом СВВ. Он образует маршрут передачи данных между
ОП и ПУ и осуществляет управление обменом, начиная от
Установления связи и кончая завершением передачи и разрушением
Установленной связи. Физическая реализация КВВ отличается
широким разнообразием, однако независимо от нее функции
подключения ПУ к КВВ выполняются специальными аппаратными
сРедствами (средствами интерфейса) в соответствии с определенными
правилами обмена сигналами. [В документации ЕС ЭВМ используют
ИнУю терминологию, пояснения см. в разделе 2.2.]
29
Основные функции КВВ. Их можно разбить на три группы.
В первую группу входят функции по установлению
логической связи между ПУ и ОП, т.е. по образованию «канала»
для передачи данных. В СВВ обычно имеется множество ПУ,
подключенных через общую для них систему связи. При наличии
автономных средств управления ПУ могут работать параллельно в
течение такта подготовки информации, но передача информации
через систему связи в каждый момент времени производится между
ОП и только одним ПУ. Для исключения возможности одновременной
передачи информации от нескольких ПУ в системе связи и должен
быть организован «канал». Для этого необходимо среди запросов на
обмен выявить наиболее приоритетный; определить для него маршрут
передачи данных между ОП и ПУ; проверить работоспособность и
готовность к выполнению заданного обмена каждым из компонентов
СВВ вдоль выбранного маршрута; в случае, если какой-либо
компонент не может принять участия в обмене (выключен или занят
другой операцией), то следует выполнить эти же проверки для
альтернативного маршрута, а при его отсутствии — сообщить ЦП о
невозможности установления «канала»; передать всем участвующим
в операции компонентам СВВ необходимую управляющую инфор¬
мацию, например, приказ ПУ выполнить определенные действия по
управлению механизмами, подготовке кванта информации и т.п.
Вторая группа фу нкций КВВ связана с непосредст¬
венной передачей данных между ПУ и ОП и включает в себя:
— ойределение текущего адреса ячейки памяти для записи или
чтения очередного кванта информации, передаваемого по
сформированному «каналу»;
— преобразование форматов данных, используемух в ПУ и ОП;
— контроль передаваемых по каналам данных.
В СВВ современных ЭВМ используют различные виды контроля, отражающие характер
наиболее вероятных ошибок, которые могут возникать на носителе информации, в каналах
связи или в конкретных ПУ; наиболее часто для контроля передач используют контроль по
четности;
— определение особых условий в процессе выполнения операции.
К числу таких условий можно отнести завершение передачи
определенной порции информации и потребность в дополнительной
управляющей информации для каких-либо компонентов СВВ,
возникновение ошибки и т.п.
Третья группа функций связана с завершением
обмена и разрушением «канала». Она включает в себя:
— определение момента завершения обмена по сигналу от ПУ
или ЦУ;
— определение причины завершения обмена, т.е. завершена ли
передача всех необходимых квантов данных или в процессе обмена
обнаружена ошибка;
зо
информирование ЦП об изменении состояния компонентов
^ ’ передача управляющей информации компонентам СВВ, по¬
средством которой они переводятся в исходное состояние.
Перечисленные функции КВВ реализуются различными соче¬
таниями аппаратных и программных средств. Если все функции
управления обменом осуществляются средствами управления интер¬
фейса и аппаратурой ЦП, то такой КВВ называют программным. С
помощью программного КВВ обеспечивается несовмещенный режим
ввода-вывода, при котором управление ПУ и операциями обработки
осуществляется последовательно, и совмещенный режим, при котором
ПУ имеет автономные схемы управления подготовкой квантов
информации, а синхронизация и переключение ЦП на программу
управления передачей кванта информации от ПУ выполняется
посредством прерываний. Программное управление обменом, или
программный КВВ реализуется средствами управления интерфейсом
и аппаратурой ЦП, которая используется для управления обменом
в течение всей операции ввода-вывода непрерывно (несовмещенный
режим) или в некоторые интервалы времени, определяемые ЦУ
(совмещенный режим). В свободное от управления обменом время
аппаратура ЦП используется для выполнения операции обработки.
Программная организация КВВ. Определение текущего адреса
слова (байта) данных в ОП производится программным путем в ЦП,
на ЦП возлагается также определение условий завершения обмена.
При выполнении программы управления обменом в ЦП используются
без ограничений любые аппаратные средства, а для перехода от
программы обработки в ЦП к программе управления обменом по
запросу ПУ (в совмещенном режиме) должен быть использован
внешний сигнал прерываний. ПУ передает и получает квант
информации от ЦП и непосредственной логической связи с ОП не
имеет, хотя физические линии интерфейса, соединяющие ПУ и ОП,
могут существовать. В случае несовмещенного режима возможности
параллельной обработки и ввода-вывода отсутствуют, а в случае
совмещенного—ограничены необходимостью привлечения для управ¬
ления передачей каждого байта между ПУ и ОП аппаратных средств
ЦП. Такие привлечения осуществляются посредством прерываний и
вызывают большие накладные расходы времени.
Поскольку все операции по управлению обменом выполняются
программным путем, т.е. при передаче каждого слова (байта) ЦП
программно определяет адрес ячейки в памяти и количество
подлежащих передаче слов данных, осуществляет буферизацию,
контроль и преобразование форматов данных, то при программном
мене не может быть обеспечено управление быстрыми ПУ. Так,
3атРаты времени на выполнение участка программы по управлению
ПеРедачей одного байта от ПУ даже при сравнительно быстродейст-
31
вующем ЦП составляют 20-50 мкс, что соответствует пропускной
способности программного КВВ не свыше (20-50) Кбайт/сине
позволяет использовать его для управления ПУ с более высокой
пропускной способностью, например, ВЗУ с пропускной способностью
0,5-3 Мбайт/с.
Программный КВВ характерен для мини- и микроЭВМ для
подключения сравнительно медленных УВв и У Выв. Несовмещенный
режим используется в сравнительно редких случаях, преимущественно
для простейших управляющих микроЭВМ, если число ПУ невелико
(обычно 1-2) и эти устройства пассивны, т.е. не могут посылать
запросы на обмен. Повышение степени совмещения операций
обработки ввода-вывода связано с организацией прямого доступа к
памяти.
Прямой доступ к памяти. Для реализации прямого доступа к
памяти в КВВ должны быть предусмотрены специально выделенные
аппаратные средства, на которые возлагаются буферизация и
преобразование форматов данных; определение текущего адреса для
каждого передаваемого в память или из нее слова; определение
момента завершения обмена. Остальные функции КВВ по установ¬
лению связи и образованию «канала» между ПУ и ОП в начале
операции, окончанию операции и проверке состояния компонентов
СВВ выполняются либо программным путем с привлечением аппа¬
ратуры ЦП, либо дополнительными средствами КВВ. В первом случае,
когда управление образованием и «настройкой канала» производится
программно, повышение степени совмещения операций обработки и
ввода-вывода достигается за счет того, что программная настройка
производится только в начале и конце операции, в процессе которой
между ПУ и ОП передается несколько квантов информации.
Управление передачей каждого кванта не требует вмешательства со
стороны ЦП и синхронизируется посредством приостановок. Этот
способ организации КВВ характерен для мини- и микроЭВМ при
подключении ВЗУ. Во втором случае функции КВВ выполняются
специально выделенной аппаратурой, работающей под управлением
собственной программы. Реализованный таким способом КВВ назы¬
вают процессором ввода-вывода (ПВВ). ПВВ является подчиненным
специализированным процессором, работа которого инициируется
посредством ЦП. ПВВ используют в высокопроизводительных ЭВМ
(общего назначения и суперЭВМ).
При прямом доступе к памяти ЦП и ПВВ могут иметь
собственные регистры адресов РгА и данных РгД, как показано на
рис. 1.9,я. Такую реализацию прямого доступа называют с непос-
редственным обращением к ОП; приостановки при этом возникают
только при одновременном обращении в ОП со стороны ЦП и ПВВ
и их длительность не превышает цикла ОП (Тц). Возможна
реализация прямого доступа с косвенным обращением к ОП, рис. 1.9,б.
32
Рис. 1.9
В этом случае приостановки ЦП возникают при любой передаче
информации между ОП и ПВВ независимо от того, выполняется ли
в ЦП команда с обращением или без обращения к памяти. После
завершения команды в ЦП его регистры РгА и РгД свободны;
производится захват их со стороны ПВВ, что приводит к приостановке
выполнения программы в ЦП, так как в нем временно отсутствуют
два регистра. ПВВ освободит эти регистры после завершения цикла
передачи кванта информации в ОП.
Основные характеристики КВВ. Принято выделять две харак¬
теристики:
— номинальную пропускную способность VKbb, т.е. число байт
данных, которые могут быть переданы посредством КВВ между ПУ
и ОП за единицу времени при условии, что никакие другие
устройства ВС не мешают выполнению функции КВВ;
— нагрузочную способность Nmax„ т.е. наибольшее число ПУ,
которые может обслуживать КВВ, не вызывая потери информации
и снижения скорости их работы.
Однако в реальных условиях совместной работы центральная
часть ЭВМ и СВВ оказывают значительное влияние друг на друга.
Пропускная способность КВВ снижается относительно номинальной,
снижается и производительность ЦП, что объясняется неполным
перекрытием (Кп^1) операций обработки и ввода-вывода. Одним из
важных параметров, характеризующих способность КВВ работать
параллельно с ЦП, является коэффициент снижения эффективной
производительности, или коэффициент работоспособности R програм-
МЬ1> который показывает долю времени, затрачиваемого ЦП на
программу обработки при параллельном выполнении операций в СВВ.
Коэффициент R зависит от способа организации СВВ, числа
параллельно работающих ПУ и быстродействия каждого из них.
Определим пропускную способность КВВ. Для этого найдем
наименьший допустимый период времени Т между поступлениями в
Нег° квантов информации через интерфейс ввода-вывода. (При
2 - 836 33
операциях вывода направление передачи квантов информации
обратное, но это не оказывает влияние на дальнейшее рассуждение).
В этом случае КВВ можно представить в виде буфера, который
заполняется через интерфейс ввода-вывода и освобождается при
передаче соответствующего кванта информации в ОП. Чтобы во
время передачи квантов через КВВ не возникло потерь информации,
необходимо соблюсти условие, согласно которому средняя скорость
заполнения буфера не превышает скорости его освобождения. С
учетом того, что величины квантов информации, передаваемых через
интерфейс ввода-вывода (WBb) и между КВВ и ОП (Won), могут не
совпадать и что наибольшие затраты времени на обработку в КВВ
происходят при передаче слова данных между КВВ и ОП, это условие
записывается следующим образом:
где Тобсл.ср — среднее время обработки одного кванта информации в
КВВ при наличии в нем буфера глубиной Won байт. Изменения
длительности интервалов обработки Тобсл, вызванные, например,
задержками при обращениях к ОП, также не должны приводить к
переполнению буфера, поэтому увеличение глубины буфера может
привести к некоторому увеличению пропускной способности КВВ.
Длительность обслуживания Тобсл в КВВ складывается из
следующих затрат времени:
где Ti — время обработки кванта информации в КВВ, т.е. приема
его от ПУ, передачи из регистра в регистр для буферизации и
формирования слова, модификации управляющей информации для
подготовки ее к циклу обработки следующего кванта информации;
т2 — время непосредственной передачи слова данных в ОП т3 —
время на получение управляющей информации для выработки
текущего адреса и выполнения других действий по управлению
передачей кванта информации между КВВ и ОП; т4 — задержка в
обслуживании из-за занятости ОП другим устройством (например,
ЦП или другим ПВВ), зависящая от способа обращения к ОП и
системы приоритетов; т5 — задержка из-за занятости ОП
обслуживанием более приоритетных устройств, зависящая от прио¬
ритета данного КВВ и наличия запросов от более приоритетных ПУ.
Для определения максимальной пропускной способности КВВ
необходимо предположить, что другие компоненты ВС не мешают
его работе, т.е. т4=Т5=0. Исходя из определения пропускной способ¬
ности Vkbb и с учетом (1.3) и (1.4) получим:
Wbb/ Т< Won! ТОБСЛ.СР,
(1.3),
Тобсл —Zj т«>
(1.4)
34
(1.5)
Некоторые КВВ обладают способностью обслуживать несколько
ПУ на основе разделения времени. При этом их программные и
аппаратные средства используются поочередно каждым ПУ. При
таком режиме, который называют мультиплексным, должны соблю¬
даться следующие условия:
1. Период поступления квантов информации от любого ПУ
должен быть больше периода обслуживания Т0бсл\ в противном случае
возможна потеря информации, т.е.
Tfjyi > ТОБСЛ.МАКС
2. Суммарная загрузка канала, т.е. 2 {^°П) i не должна
* ОБСЛ
превышать его пропускной способности Vkbb. Второе условие является
следствием выполнения первого условия совместно для всех N
одновременно работающих ПУ. Все работающие ПУ обладают
различными характеристиками быстродействия, а время обслуживания
их запросов в КВВ зависит от наличия других абонентов ОП и
способов организации СВВ. Поэтому задача определения нагрузочной
способности КВВ достаточно сложна и часто решается только с
помощью иммитационных моделей ВС. Однако некоторые приближен¬
ные оценки можно сделать при следующих условиях: все ПУ обладают
одинаковыми характеристиками быстродействия, т.е. Тпу?=Тпу , ЦП
и другие КВВ не работают или не обращаются в ОП, т.е. длительность
непосредственного обслуживания в КВВ кванта информации от ПУ
постоянна и составляет
То=Т1+Т2+Т3
Задержка в обслуживании i-ro ПУ зависит от его приоритета,
т*е. W=(i-1)T0. В наихудшие условия, таким образом, поставлено
последнее ПУ с наименьшим приоритетом, т.е.
Tfjy > То+^ож = N ' ^о, (1.6)
что позволяет оценить нагрузочную способность N^c* Условие (1.6)
показывает, что при назначении приоритетов ПУ необходимо
учитывать их «нетерпеливость», т.е. допустимую длительность
ожидания. Задача назначения приоритетов также достаточно сложна;
в общем случае необходимо учесть синхронный или асинхронный
характер ПУ и наличие в нем буфера. В рамках каждой группы
ПУ приоритет тем выше, чем выше быстродействие ПУ.
Перечисленные выше функции управления обменом, таким
образом, могут выполняться посредством СВВ, имеющих различную
физическую структуру, т.е. различную совокупность аппаратных и
программных средств и связей между ними. Физическая структура
ВВ включает в себя ПУ, контроллеры, ПВВ и является иерархиче-
СКой со строгим разграничением функций между уровнями. Передача
35
данных и управляющей информации между уровнями физической
структуры СВВ осуществляется через интерфейсы различных рангов.
Рассмотрим далее принципы построения интерфейсов и реализуемые
ими функции.
Контрольные вопросы
1. Перечислите основные классы ЭВМ и режимы взаимодействия с пользователем.
Назовите особенности этих ЭВМ.
2. Перечислите основные условия, выполнение которых необходимо для создания
систем с переменным составом оборудования. .
3. Назовите критерии классификации ПУ. Приведите примеры ПУ для каждой группы.
. 4. Какая особенность цикла работы ПУ делает возможным организацию праллельной
обработки и ввода-вывода?
5. Перечислите основные функции СВВ. Каким образом формируются адреса ОП при
передаче данных между ПУ и ОП?
6. Какие средства необходимы для организации параллельной работы ЦУ и ПУ?
7. В чем суть прерываний и приостановок? Как они реализуются?
8. Дайте определение каналу ввода-вывода? Какими средствами он может быть
реализован?
9. Назовите основные характеристики КВВ? На основании каких допущений они
рассчитываются?
Классификация ЭВМ отражена в [11,12]; классификация ПУ приводится в [11,34].
Более подробные модели для расчета характеристик КВВ приведены в [12]. Подробные
характеристики и параметры ПУ различных типов могут быть найдены в справочниках [10,
38,39].
2. ИНТЕРФЕЙСЫ СИСТЕМ ВВОДА-ВЫВОДА
Аппаратные интерфейсы являются одним из основных компонентов вычислительной
системы с переменным составом оборудования. Они позволяют осуществлять обмен дан¬
ными и управляющей информацией между устройствами физической структуры ВС по
унифицированным правилам. Унификация правил взаимодействия обеспечивает воз¬
можность подключения к ВС разнообразных ПУ, отличающихся назначением, быстро¬
действием, принципами действия.
2.1. Понятие интерфейса и его характеристики
Аппаратным интерфейсом принято называть совокупность правил
унифицированного взаимодействия между отдельными устройствами,
а также совокупность аппаратных, программных и конструктивных
средств, необходимых для реализации этих правил. Взаимодействие
осуществляется с помощью сигналов, передаваемых посредством
электрических (или оптических) цепей, называемых линиями интер¬
фейса; совокупность линий, сгруппированных по функциональному
назначению, принято называть шиной интерфейсаУнификация
правил взаимодействия направлена на обеспечение информационной,
электрической и конструктивной совместимости; именно унификация
и стандартизация лежат в основе построения интерфейсов.
Информационная совместимость достигается за счет единых
требований, предъявляемых к структуре и составу линий интерфейса,
алгоритмам взаимодействия, способам кодирования и форматам
данных, управляющей и адресной информации, временным соотно¬
шениям между сигналами.
Электрическая совместимость означает согласованность парамет¬
ров электрических или оптических сигналов, передаваемых средой
интерфейса, соответствие логических состояний уровням сигналов;
электрическая совместимость определяет требования к нагрузочной
способности компонентов и характеристикам использумых линий
передачи (длина, допустимая активная и реактивная нагрузка,
порядок подключения схем согласования • и т.д.).
Конструктивная совместимость означает возможность механиче¬
ского соединения электрических цепей, а иногда и механической
замены некоторых блоков; этот вид совместимости обеспечивается
стандартизацией соединительных элеметов (разъемов, штеккеров и
т-п*), кабелей, конструкций плат и т.д.
Интерфейсы в СВВ возникают между различными уровнями
ИеРархии физической структуры ВС, поэтому требования, предъяв-
37
6)
Рис. 2.1
ляемые к организации обмена, существенно различаются. Единый
стандартный интерфейс не смог бы обеспечить эффективную работу
разнообразных устройств, используемых на различных уровнях
иерархии СВВ. Этим объясняется наличие системы интерфейсов
различных рангов, отличающихся характеристиками и степенью
унификации.
В зависимости от требований унификации выделяют:
— физическую реализацию интерфейса, т.е. состав и харак¬
теристики линий передачи; конструкцию средств их подключения
(например, разъем), вид и характеристики сигналов;
— логическую реализацию интерфейса, т.е. протоколы взаимо¬
действия, или алгоритмы формирования сигналов обмена.
В широком смысле протокол определяет совокупность правил реализации определен¬
ной функции, например, обмена, и в этом случае может включать требования, охватыва¬
ющие интерфейсы нескольких рангов.
38
Система аппаратных интерфейсов является одной из основных
составляющих понятия архитектуры ВС. На рис.2.1,а и б показаны
интефейсы для машин ЕС ЭВМ и СМ ЭВМ, соответственно. В
структуре ВС с выделенными ПВВ отметим интерфейсы четырех
рангов. Через интерфейс И1 производится обмен информацией между
ОП и процессорами (ЦП или ПВВ); через интерфейс И2 —
управляющей информацей между ЦП и ПВВ. Интерфейсы И1 и И2
являются внутренними, отражающими особенности конкретной мо¬
дели и не унифицируются. Интерфейсы ввода-вывода (ИЗ) обес¬
печивают обмен между ПВВ и контроллерами ПУ (КПУ); они
стандартизуются, что дает возможность использовать одинаковые
контроллеры и ПУ в различных моделях ЭВМ одной системы.
Интерфейсы И4 образуют группу так называемых «малых»
интерфейсов, посредством которых собственно ПУ сопрягается с
контроллером. Степень унификации малых интерфейсов зависит от
типа ПУ и контроллера. Так, если контроллер предназначен для
управления только одним ПУ и конструктивно объединен вместе с
ним, то их интерфейс не унифицируется. Если же контроллер
предназначен для одновременого обслуживания множества ПУ, то
соответствующий малый интерфейс должен быть стандартизован. При
подключении аппаратуры систем передачи данных соответствующие
интерфейсы принято называть стыками.
Для мини- и микроЭВМ характерно (рис.2.1,6) наличие
интерфейса Ио, посредством которого связаны между собой ЦП, ОП
и контроллеры. Этот интерфейс принято называть системным (или
объединенным), он унифицирован для всего семейства ЭВМ. Конт¬
роллеры в мини- и микроЭВМ достаточно просты, так как управление
обменом между ПУ и ОП осуществляется в значительной мере
программным путем. Это позволяет для семейств ЭВМ с различными
интерфейсами Иа использовать одинаковые ПУ (но с разными
контроллерами).
Интерфейсы принято характеризовать следующими параметрами:
— видом связи, т.е. возможностью вести дуплексную (сообщения
могут одновременно передаваться в двух направлениях, что требует
Двух каналов связи), полудуплексную (сообщения могут передаваться
в Двух направлениях, но одновременно возможна передача только в
одном) или симплексную передачу (сообщения могут передаваться
только в одном направлении);
— пропускной способностью, т.е. количеством информации,
Предаваемой через интерфейс в единицу времени;
— максимально допустимым расстоянием между устройствами
суммарной длиной линий, соединяющих все устройства интер¬
фейса;
39
— задержками. при организации передачи, которые вызваны
необходимостью выполнения подготовительных и завершающих
действий по установлению связи между устройствами.
Конкретные значения этих параметров зависят от множества
факторов, в частности от информационной ширины интерфейса,
способа синхронизации, среды интерфейса, топологической структуры
соединений и организации линии интерфейса, совмещения или
функционального разделения линий. Все эти факторы определяют
организацию интерфейса.
2.2. Организация интерфейсов
Организация интерфейсов определяется способами передачи
информации (параллельной или последовательной, асинхронной или
синхронной), соединения устройств и использования линий.
Последовательная и параллельная передача информации.
Цифровые сообщения могут передаваться в последовательной и
параллельно-последовательной форме; соответственно интерфейсы
принято делить на последовательные и параллельные.
В последовательном интерфейсе передача данных
осуществляется всего по одной линий, хотя общее число линий может
быть и больше. В этом случае по дополнительным линиям передаются
сигналы синхронизации и управления. Интерфейсы последовательного
типа характеризуются относительно небольшими скоростями передачи
и низкой стоимостью сети связи. Они могут применяться для
подключения низкоскоростных ПУ, расположенных на значительных
расстояниях от центрального ядра ЭВМ (интерфейсы ранга И4).
В параллельном интерфейсе передача сообщения
выполняется последовательно квантами, содержащими т бит. Каждый
квант передается одновременно по т линиям; величина m назвается
шириной интерфейса и обычно соответствует или кратна байту.
Наиболее распространены параллельные интерфейсы, в которых т=8
или т=16. [Для внутренних интерфейсов ранга И1 и И2 высоко¬
производительных ЭВМ ширина интерфейса может быть значительно
больше ].
Разброс параметров среды интерфейса, т.е. его линий и
приемо-передающей аппаратуры, вызывает неодинаковые искажения
фронтов и задержки сигналов, передаваемых по разным линиям
JI 1—Jim. Это означает, что одновременно выданные передатчиком
ПРД сигналы на линии JI1—Jim воспринимаются приемником ПРМ
не одновременно, а в интервале (tl,t2) (см.рис.2.2,а и б). Такое
явление называется перекосом информации. В интервале (tl,t2)
приемник может воспринять любую кодовую комбинацию {xi},
i=(l,m), отличную от комбинации {Ь*}, передаваемой устройством
ПРД. Для исключения возможности приема неправильной кодовой
40
STR .
a)
в)
tsTR
Рис. 2.2
комбинации в параллельных интерфейсах вводят дополнительную
линию стробирования. Сигнал строба STR, передаваемый по ней,
Должен поступить в приемник ПРМ в момент tstr, соответствующий
завершению установления на входах ПРМ состояния {bj, т.е. в
момент, когда выполняется условие tsTR^t’. При этом необходимо
еР^дать сигнал STR с задержкой относительно момента выдачи
нформационных сигналов на линии JI1 — Jim.
Tstr > 2тах(Дtj) = 2тах Ц - t;\,
41
где ti, tj— самый ранний и самый поздний моменты поступленния
сигналов в приемник ПРМ по линиям i и у, соответственно при
одновременной их выдаче передатчиком; А т,у — возможный разброс
моментов поступления сигналов по линиям JI1—Jim, a A tstr —по
линии строба, В дальнейшем используем условную форму временной
диаграммы, приведенную на рис.2.2,в, на которой параллельная
передача сигналов по линиям JI1— Jim обозначена одной широкой
полосой, суженная часть которой соответствует интервалу перекоса
(ti,t2>, строб показан в виде сигнала идеальной формы в момент
завершения интервала перекоса.
Синхронная и асинхронная передача информации. Взаимо¬
действие передатчика ПРД и приемника ПРМ предполагает согла¬
сование во времени моментов передачи и приема квантов
информации. При синхронной передаче передатчик ПРД поддержива¬
ет постоянные интервалы между очередными квантами информации
в процессе передачи всего сообщения или значительной его части.
Приемник ПРМ независимо или с помощью поступающих от
передатчика управляющих сигналов обеспечивает прием квантов в
темпе их выдачи.
Для реализации синхронного режима передачи при последова¬
тельном интерфейсе передатчик ПРД в начале сообщения передает
заранее обусловленную последовательность бит, называемую симво¬
лом синхронизации SYN. Переход линии интерфейса из состояния
«О» в состояние «1» используется приемником для запуска внутреннего
генератора, частота которого совпадает с частотой генератора в
передатчике; приемник ПРМ распознает передаваемый символ SYN,
после чего принимает очередной символ сообщения, начиная с его
первого бита. Этот процесс иллюстрируется на рис.2.3. Постоянство
интервалов передачи (и приема) символов обеспечивается синхронно
работающими независимыми генераторами в передатчике и
приемнике, которые обладают высокой стабильностью частоты. При
Те
h
Тс
•с
L
SYN
SYN
Ьг
ь2
Ь;
SYH
SYN
bi + l
а)
4Стартовые биты
б)
ч
Ш
К байт 1
/ /
байт 2
Рис. 2.3
42
нарУшении синхронизации передатчик должен вставить в последова¬
тельность передаваемых байт сообщения дополнительные символы
SYN. Если при последовательной передаче используются дополнитель¬
ные линии интерфейса, то синхронная передача передатчика и
приемника поддерживается сигналами синхронизации, передаваемыми
по линиям управления от передатчика к приемнику.
Аналогично с помощью сигнала синхронизации реализуется
синхронная передача в параллельном интерфейсе. В качестве сигнала
синхронизации используется стробирующий сигнал. Очередной квант
информации передается только после того, как предыдущий квант
принят, зафиксирован и распознан в приемнике, т.е. по прошествии
интервала Ты. Если передача сообщений через интерфейс
производится между передатчиком ПРД и одним из нескольких
приемников ПРМ, то интервал синхронизации Т устанавливается в
расчете на наиболее медленный приемник ПРМ, т.е. Тс ^ max Ты.
Передачу называют асинхронной, если синхронизация пере¬
датчика и приемника осуществляется при передаче каждого кванта
информации. Интервал между передачей квантов непостоянен. При
последовательном интерфейсе каждый передаваемый байт «обрамля¬
ется» стартовыми и стоповыми сигналами, как показано на рис.2.3,6.
Стартовый сигнал изменяет состояние линии интерфейса и служит
для запуска генератора в приемнике; стоповый сигнал переводит
линию в исходное состояние и останавливает работу генератора.
Таким образом, синхронизация передатчика и приемника поддержива¬
ется только в интервале передачи одного байта.
При параллельном интерфейсе режим асинхронной передачи
обычно реализуется по схеме «запрос-ответ», рис.2.4,а. Приемник
ПРМ, получив сигнал по линии строба и зафиксировав байт
сообщения по линиям JI1—Jim, формирует ответный сигнал-
квитанцию RCP, пересылаемый в передатчик ПРД; такую передачу
называют передачей с квитированием. Сигнал RCP является
разрешением передатчику перевести линии Л1—Jim и линию
стробирования в исходное состояние, после чего приемник ПРМ также
сбрасывает сигнал RCP. Сброс сигнала RCP служит для передатчика
разрешением на передачу очередного байта. Затраты времени на
асинхронную передачу Та очевидны из рис.2.4,а и составляют при
ТПРД = тПРМ — т,
Та = 4тЛ + 2 ТПРД + 2Хпрм = 4(тл 4- т) ,
где Tjj время распространения сигнала по линии,— тпрд и тпрм за¬
держки на формирование ответного сигнала в приемнике и
Передатчике. Отметим, что линии JI1—Jim используются для
^ередачи квантов сообщения только в течение половины интервала
* а*
43
Для увеличения пропускной способности асинхронного интер¬
фейса можно реализовать «ускоренную» передачу с двумя линиями
стробирования (STR1 и STR2) и квитирования (RCP1 и RCP2),
рис.2.3,б. Передача информационных сигналов по линиям Jll-JIm
производится почти в два раза чаще; безразличное состояние линий
Л1—Лш отсутствует, а выдача квантов информации стробируется
разными сигналами STR1 и STR2. Интервал Та между выдачей
квантов информации составит Т~а = 2 (тл + т) .
Квитирование позволяет как бы подстроить темп обмена под
каждое конкретное устройство и обеспечить в ряде случаев высокий
темп обмена, несмотря на необходимость передачи сигналов в двух
направлениях . Кроме того, квитирование обеспечивает высокую
надежность передачи и достоверность передаваемых данных. Однако
при передаче с квитированием может возникнуть ситуация, при
которой процесс обмена прерывается из-за отказа, повлекшего
отсутствие сигнала квитанции. Выявление подобных ситуаций осно¬
вывается на измерении интервала времени, в течение которого
передатчик гарантированно должен получить сигнал-квитанцию. Если
44
за этот установленный интервал Тто сигнал передатчиком не будет
подучен, то фиксируется отказ. Такой контроль называют контролем
по тайм-ауту, а интервал Тто — интервалом тайм-аута, величина
которого должна отвечать условию:
Тто > max {Tai},
где Ты— возможные интервалы между выдачей квантов информации
устройствами при отсутствии отказов.
Соединение устройств и организация линий интерфейса.
Соединение между собой нескольких устройств выполняется посред¬
ством индивидуальных линий для каждой пары устройств (двухто¬
чечная схема) или общей для всех устройств среды интерфейса на
основе разделения времени. Во втором случае для предотвращения
конфликтных ситуаций, возникающих при попытках нескольких
устройств одновременно использовать общую среду, выделяют
специальную схему управления интерфейсом, обычно называемую
арбитром.
В общем случае могут быть реализованы следующие виды
обмена: передача от одного устройства только одному другому, от
одного устройства всем другим (трансляционый обмен); от одного
устройства нескольким произвольно назначаемым устройствам (груп¬
повой обмен). Аппаратные интерфейсы СВВ обычно реализуют только
первый вид обмена — между двумя устройствами, причем оба
устройства назначаются произвольно или одно из них (обычно
центральное, обозначаемое ниже Уц) фиксируется при разработке
ВС. Организация интерфейса должна предоставлять возможность
устройству:
— занимать общую среду интерфейса на время передачи
сообщения; процесс предоставления среды интерфейса одному уст¬
ройству называется арбитражем и выполняется схемами арбитра;
— обращаться к другому устройству по его адресу; этот процесс
называют адресацией;
— идентифицировать устройство, инициирующее обмен; этот
процесс неразрывно связан с процедурой арбитража и его основой
является последовательный опрос устройств.
Организация адресации и опроса, а также структура схемы
управления интерфейсом в значительной степени определяются
способом соединения устройств. По этому признаку различают
Радиальный, магистральный, цепочный и комбинированный интер¬
фейсы.
Радиальный интерфейс. Центральное устройство Уц
соединено с подчиненными устройствами У1, ..., Уп посредством
индивидуальных линий, монопольно принадлежащих каждому из них,
Рис.2.5. Управление интерфейсом полностью сосредоточено в устрой¬
те Уц. При необходимости передать или получить квант инфор-
мации от yi по инициативе центрального устройства Уц на регистр
45
РгА заносится адрес устройства Yi и в
соответствии с ним переключатель К
соединяет линии Лц с линиями Jli. При
этом устройства Уц и Yi соединяются
между собой, а все остальные устрой¬
ства отключаются и в обмене участия
не принимают. Если инициатива обме¬
на исходит от периферийного устрой¬
ства Yi, то оно передает сигнал по
своей линии запроса (на рисунке пока¬
заны штриховыми), который поступает
в i-й разряд регистра запроса РгЗ. Как
только Уц освобождается от предыдущего обмена, его устройство
управления интерфейсом УУ последовательно опрашивает разряды
регистра РгЗ и посредством переключателя К соединяет линии Лц
с соответствующими линями Jli устройства Yi. Порядок опроса
разрядов РгЗ определяет приоритет обслуживания устройств Yi.
Отличительными особенностями радиального способа подклю¬
чения являются: сосредоточенное в центральном устройстве управ¬
ление интерфейсом, которое предназначено для согласования
моментов приема и передачи сообщения; наличие индивидуальных
информационных линий, требующих значительных затрат на приемо¬
передающую аппаратуру, и кабелей связи; использование минималь¬
ного числа линий управления; возможность сравнительно просто
приспособить ПУ к требованиям интерфейса, а также производить
физическое подключение и отключение устройств без нарушения
непрерывной работы других. Этот способ характерен для интерфейсов
нижних рангов, особенно при последовательном способе передачи
информации; ему отдают предпочтение при необходимости подклю¬
чения к ЭВМ достаточно простых ПУ, например, устройств
технологической автоматики и контрольно-измерительной аппарату¬
ры.
Магистральный интерфей с. Центральное устройство
Уц соединено с подчинеными устройствами У1, ..., Уп посредством
единой магистрали, используемой ими на основе разделения времени
(рис.2.6). Сигнал на любой линии магистрали физически доступен
каждому устройству, поэтому для организации обмена между
устройством Уц и одним из подчиненных устройств необходимо
логически отключить все остальные. Всем устройствам Yi, подклю¬
ченным к магистрали, присвоены адреса (номера), которые
фиксируются в виде собственого адреса устройства на специальных
регистрах, размещенных во всех Yi. Адреса устройств одной
магистрали не повторяются; запись адреса в регистр устройства У*
производится вручную при подключении его к магистрали.
Предположим, что обмен производится по инициативе устройства
Уц. Тогда оно производит цикл адресации, заключающийся 5
46
РгЗ
Уц
/
X
РгА
УУ
К
I 1 Г
1 1 1
j 1 1—
У1 У2
"772
Уп
У^Лп
Рис. 2.5
Рис. 2.6
передаче адреса запрашиваемого устройства по магистрали. Адрес
поступает во все устройства Yi, где производится сравнение
переданного адреса с собственным адресом. Однако совпадение
собственного и запрашиваемого адреса произойдет в одном устройстве.
При этом устройство Yi устанавливает сигнал готовности к приему
информации от Уц или запрашиваемую информацию для Уц на
линии магистрали.
Если обмен в интерфейсе производится по инициативе подчинен¬
ного устройства Yi, то вначале исключается возможность использо¬
вания магистрали любым другим устройством. С этой целью в
магистрали предусматривают специальную линию запросов (на рис.2.6
линия ТРБ), на которую любое устройство Yi независимо от других
может выставлять сигнал запроса (или требования ТРБ). Сигнал
запроса означает для Уц, что на магистрали имеется одно или
несколько устройств Yi, запрашивающих обмен. Обнаружив сигнал
запроса (эту функцию выполняет схема анализа ТРБ), устройство
Ц должно дать разрешение на занятие магистрали только одному
нз запрашивающих устройств Yi для выполнения передачи данных.
этого проводится опрос устройств Yi, т.е. устройство Уц
последовательно осуществляет адресацию всех Yi до тех пор, пока
получит подтверждения запроса. Подтверждение запроса может
Та^ь пеРедано любым способом, например, по информационной шине,
ка КаК В пР°Ц£сс£ опроса при последовательном переборе адресов
Так °е И3 УстР°йств У* получает разрешение на занятие магистрали.
Уст * П^И совпадении собственного и запрашиваемого адресов
тройство Yi
может выставить на инфомационную шину свой адрес,
47
Уц
| Формиро-
1 батель
1 адреса
!
А У1
Л2
А У2
ЛЗ Лп
А Уп
гП
Оч х
<= •” =>
Рис. 2.7
подтвердив совпадение, или какой-нибудь код, означающий несов¬
падение; кроме того, может быть выделена специальная линия для
передачи сигнала подтверждения. Устройство Уц, получив подтвер¬
ждение от yi, прекращает дальнейшее формирование адресов, т.е.
приостанавливает опрос, а устройство yi, которое в процессе опроса
опознало свой адрес и подтвердило совпадение адресов, логически
подключается к магистрали для передачи данных.
При магистральном способе подключения управление интерфей¬
сом распределено между центральным устройством Уц, которое
содержит схему анализа запросов и средства формирования последо¬
вательностей адресов, и подчиненными У1, ..., Уп устройствами,
которые содержат регистр собственного адреса, схему совпадения
адресов и схему запроса обмена. Устройство Уц разрешает конфликты
одновременого обращения в соответствии с порядком опроса устройств
У1, который легко изменяется программным путем. Объем приемо¬
передающей аппаратуры и кабельных соединений уменьшается, но
усложняется схема управления в yi. Сигналы на линиях магистрали
доступны одновременно всем устройствам, поэтому передача адресов
и данных не требует значительных затрат времени, однако процедура
опроса весьма длительна из-за последовательного перебора адресов
yi. Вследствие этого в реальные интерфейсы, построенные по
магистральному способу с параллельными коллективными линиями,
добавляют элементы радиального или цепочного подключения.
Цепочный интерфейс. При цепочном интерфейсе
подчиненные устройства У1,..., Уп подключаются к центральному
последовательно, образуя цепочку (рис.2.7). В такой цепочке всем
устройствам У1,..., Уп присваиваются неповторяющиеся адреса. Тогда,
если обмен инициируется устройством Уц, адрес запрашиваемого
устройства (yi) передается на линии И1 и попадает в устройство
У1. Запрашиваемый адрес в устройстве У1 сравнивается с собствен¬
ным адресом У1. Если адреса не совпали, то коммутатор К соединяет
линии Л1 с линиями JI2. Таким образом адрес запрашиваемого
устройства попадает в У2 и процедура повторяется. Если значения
адресов совпали, то коммутатор К остается в разомкнутом состоянии,
а устройство, опознавшее свой адрес, логически подключается к Уц.
48
V
-q Уц
Tn— ТР6
4UI
-и»
4J*
У1
У2
Уп
Рис.2.9
При цепочной схеме подключения устройств процедура адресации
выполняется последовательно.
Пусть обмен инициируется одним из устройств У1,...,Уп,
например, У2. При этом устройство отключает посредством комму¬
татора К все устройства более низкого приоритета (УЗ,...,Уп), т.е.
размыкает линии ЛЗ. Затем устройство У2 передает свой адрес по
линии JI2. Этот адрес либо передается устройством У1 на линии JI1,
если У1 не ведет обмена, для чего коммутатор К в У1 подключает
линии JI2 к линиям JI1; либо блокируется, если устройство У1 ведет
обмен с Уц. Процедура опроса не требует последовательного перебора
адресов У1,...,Уп, что значительно ее ускоряет. Однако в описанном
виде цепочное подключение устройств не используется. Это объяс¬
няется значительными затратами времени на процедуру адресации
из-за ее последовательного характера, значительными затратами на
коммутирующую аппаратуру и невозможностью физического отклю¬
чения устройств без нарушения работы других.
Комбинированные интерфейсы. В комбинирован¬
ных интерфейсах используется магистральный принцип параллельной
передачи информации, а для ускорения идентификации устройств
используются управляющие линии, соединяющие устройства по
радиальному (магистрально-радиальный интерфейс) или цепочному
(магистрально-цепочный интерфейс) принципу.
На рис.2.8 приведена структура магистрально-радиального интер¬
фейса. Все виды информации передаются по параллельной магистрали
М. При необходимости связаться с каким-либо устройством Yi,
Центральное устройство Уц передает ему сигнал по индивидуальной
линии управления (разрешение работы). Этот сигнал служит для
подключения устройств к магистрали М с помощью коммутатора К;
все остальные устройства от магистрали отключены, но имеют
возможность передачи сигналов запроса по своим индивидуальным
линиям управления в блок управления магистралью (арбитр),
Расположенный в Уц. Таким образом, каждое из устройств
1>-.,Уп соединено с Уц двумя индивидуальными линиями: линией
запроса и линией разрешения. Устройство Уц анализирует запросы,
49
поступившие по системе индивидуальных линий в регистр запросов,
и в зависимости от принятой системы приоритетов выдает сигнал на
одну из линий разрешения работы, тем самым обеспечивается связь
по магистрали М центрального устройства Уц с одним из устройств
У1,...,Уп.
Магистрально-цепочная структура является наиболее распрос¬
траненной в аппаратных интерфейсах СВВ. Все виды информации
передаются по общей магистрали; адресация выполняется так же,
как и в магистральном интерфейсе, но для ускорения идентификации
предусматривается линия управления, соединяющая устройства
У1,...,Уп по цепочному принципу. Магистрально-цепочная структура
позволяет строить интерфейсы, в которых возможен обмен между
фиксированным и произвольно выбираемым устройством либо между
двумя произвольными устройствами.
Устройство, запрашивающее обмен, называют ведущим (или
задатчиком ЗДТ), а второе устройство, участвующее в обмене,—
ведомым (или исполнителем ИСП). Разрешение конфликтов выпол¬
няет арбитр (АРБ). Схема арбитра может быть сосредоточенной и
распределенной. В первом случае цепочная линия интерфейса служит
для передачи сигнала разрешения (выборки ВБР) от арбитра всем
устройствам, которые могут инициировать обмен. Для согласования
работы арбитра и устройств предусматриваются линии запроса (ТРБ)
и указания занятости магистрали (ЗАН) — рис.2.9. Если
инициируется обмен со стороны устройств У1,...,Уп, то каждое из
них может выставлять сигнал запроса на линию ТРБ. Получив этот
сигнал, устройство Уц с целью селекции запрашивающего устройства
начинает процедуру опроса, т.е. выдает сигнал на линию ВБР. Сигнал
ВБР поступает на устройство У1. В случае, если обмен инициирован
устройством У1, т.е. сигнал ТРБ сформирован в У1, линии магистрали
посредством коммутатора К подключаются к У1, устройство
формирует сигнал ЗАН, а сигнал ВБР на следующее устройство У2
не передает. Если сигнал ТРБ был сформирован каким-либо другим
устройством, то устройство У1 передает сигнал ВБР по цепочной
линии на устройство У2, где производится такой же анализ. Таким
образом, последовательный анализ наличия запроса на обмен в
каждом из устройств У1,..., Уп позволяет выделить одно из них,
обладающее наибольшим приоритетом среди всех устройств,
инициирующих обмен. Для своей идентификации устройство Yi в
начале сообщения передает собственный адрес.
Упрощенный алгоритм занятия магистрали показан на рис. 2.10.
Будущий потенциальный задатчик устанавливает сигнал запроса на
линию ТРБ. Установку сигнала будем обозначать стрелкой вверх
( t), а его снятие — стрелкой вниз ( { ). При свободной магистрали
(т.е. ЗАН J ) арбитр начинает цикл опроса (ВБР t ). При
поступлении сигнала ВБР в устройство, установившее сигнал запроса,
50
Рис. 2.10
оно занимает магистраль, формируя сигнал ЗАН 4 и блокируя
распространение сигнала ВБР; затем оно снимает сигнал ТРБ f .
Для реализации распределенной схемы арбитража вводят сигнал
тактирования; при этом сигнал разрешения по-прежнему передается
по цепочной линии. Распространение сигнала разрешения может быть
прервано любым устройством, однако только в момент положитель¬
ного (или отрицательного) фронта сигнала тактирования. Любое
устройство может начинать передачу сообщения по магистрали при
наличии сигнала разрешения, но только в момент отрицательного
(положительного) фронта сигнала тактирования. Подробнее эта
процедура рассмотрена на примере интерфейса И-41.
Организация линий интерфейса. Помимо деления линий на
индивидуальные и коллективные, их принято делить по критерию
возможного направления передачи на одно- и двунаправленные, а
По критерию возможности совмещения передачи различных видов
информации на полностью совмещенные, с частичным совмещением
и полным разделением.
51
При изменении электрического потенциала сигнал распростра¬
няется по проводнику во всех направлениях одинаково (со скоростью
света), поэтому термины «однонаправленная» и «двунаправленная»
означают не направление распространения сигнала по линии, а право
изменять потенциал на ней. Правом изменять потенциал линии
обладает передатчик. Таким образом, если передатчики располагаются
с обоих концов линии, то ее называют двунаправленной. Двуна¬
правленный характер передачи по линии делает невозможным
использование обычных логических TTJI-схем, поэтому для двуна¬
правленных линий применяют схемы с открытым коллектором или
схемы с тремя устойчивыми состояниями.
Между центральным и периферийным устройствами необходимо
передавать информацию различных типов: адреса, собственно данные,
управляющую информацию. Если для передачи каждого вида
информации предусматриваются отдельные шины, то их называют
шинами с полным разделением. Шины с полным разделением
применяют сравнительно редко, так как при подключении ПУ к
центральным устройствам использование различных видов инфор¬
мации в ПУ носит последовательный характер: например, вначале
необходимо произвести адресацию, т.е. отключить от магистрали все
ПУ, кроме одного, этому ПУ необходимо далее сообщить приказ на
выполнение определенных действий и лишь затем можно передать
собственно данные. Совмещение передач различных видов инфор¬
мации по одной шине приводит к сокращению числа линий, однако
требует идентификации вида передаваемой информации с помощью
специальных сигналов. Сигналы идентификации одновременно могут
выполнять функции строба при параллельной передаче данных.
Дополнительное число линий идентификации невелико.
В системных интерфейсах, служащих для подключения к ЦП
не только контроллеров ПУ, но и ОП, часто реализуют частичное
совмещение передачи данных и управляющей информации, а для
передачи адреса предусматривается отдельная шина. Это позволяет
ускорить обмен, так как при обращении к ОП одновременно
используются и данные, и адрес.
2.3. Среда интерфейса
Центральные и периферийные устройства могут располагаться
на значительных расстояниях друг от друга. При этом оказывается,
что предельно допустимая скорость передачи данных V, при которой
обеспечивается надлежащий уровень достоверности принимаемых
данных, зависит от длины линии L. Эта зависимость показана в
виде семейства кривых на рис.2.11. Каждое конкретное положение
кривой зависит от среды интерфейса, т.е. физических принципов
52
передачи сигналов (электрический или v $ит/с13
оптический), типа кабеля (коаксиаль- ’—
ный, плоский, скрученная пара и т.п.) 2000000
яди световода, характеристик приемо¬
передатчиков или преобразователей
сигналов, наличия шумов и помех. При ^20000^
малых длинах линий (участок 1) ~Д5 ~юоо Цм
максимально допустимая скорость пере- ^
дачи в основном определяется задерж- ис‘
ками сигналов в приемопередающих и преобразующих устройствах.
Для средних длин линий (участок кривых 2) характерно падение
скорости пропорционально увеличению длины линии вследствие
увеличения емкостной нагрузки на передатчик, роста амплитуды
помех от воздействия сигналов, проходящих по соседним линиям,
уменьшения амплитуды полезного сигнала из-за увеличения
сопротивления линии или увеличения затухания из-за потерь света
в световолокне. При некоторой критической длине (участок 3),
конкретное значение которой зависит от типа линии и способа
передачи сигналов, уровень помех становится соизмеримым с уровнем
полезного сигнала на входе приемников, что делает невозможным
надежное выделение сигнала независимо от скорости передачи данных
по линии.
Передача по однонаправленной линии. Передача сигналов по
однонаправленной однопроводной электрической линии иллюст¬
рируется схемой на рис.2.12,я. Влияние от соседних сигналов и помех
отражается эквивалентным генератором Еп. Кроме того, при зна¬
чительных длинах линии L, а также при использовании приемником
ПРМ и передатчиком ПРД различных источников питания между
точками «земля» передатчика (а) и «земля» приемника (Ъ) соответ¬
ственно возможно наличие значительной разности потенциалов иаь.
Очевидно, что для правильного выделения сигнала в приемнике ПРМ
при наличии помех на линии должны выполняться следующие
условия:
Unpd (1) = UnpM (1) - (Еп + Uae А
ипрд (0) = UnP„ (0) + (Еп + Uae >.
При этом между уровнями логической единицы UnpM (I) и логическо-
1X3 нуля UnpM (0) приемника должна быть обеспечена разность по¬
тенциалов Udon зоны перехода, которая достаточна для надежного
и правильного распознавания значения сигнала приемником, т.е.
UnpM (1) UnpM (0)> П ДОЛ-
53
Рис. 2.12
На рис.2.12,б в качестве примера показано уменьшение зоны
перехода TTJI-приемника (0,8-2,0 В) по сравнению с зоной перехода
TTJI-передатчика (0,4 — 2,4 В) на 0,8 В, тем самым ограничен
допустимый уровень помех величиной 0,4 В. Дальнейшее уменьшение
зоны перехода недопустимо из-за увеличения вероятности не¬
правильного распознавания «0» и «1».
Можно улучшить условия приема, увеличив зону перехода в
передатчике, для этого передатчик и приемник должны осуществлять
преобразование уровней сигналов. На рис.2.13 показаны уровни
передачи и приема, устанавливаемые рекомендациями МККТТ V.28.
За счет преобразования уровней работа может осуществляться в
условиях больших помех.
Передача сигналов по двухпроводной электрической
линии позволяет исключить появление разных потециалов «земли»
передатчика и приемника, а также значительно ослабить влияние
помех. Двухпроводная линия связи выполняется обычно либо в виде
витой пары, либо в виде смежных параллельных проводников
плоского кабеля. Возможна передача сигналов по двухпроводной
линии с использованием одноканального усилителя-передатчика и
дифференциального усилителя-приемника (рис.2.14,а) или балансного
усилителя в передатчике и дифференциального усилителя в
приемнике (рис.2.14,б).
В схеме, приведенной на рис. 2.14,а, на вход усилителя"
приемника подаются потенциалы Ui = Unpd + Еп и U2 = Еп (так как
54
оводники линии расположены близко друг к другу, действие помех
на них можно считать одинаковым). Дифференциальный сигнал на
входе приемника UnpM = Ui — U2 = Unpd , т.е. свободен от влияния
помех. Такая схема позволяет повысить скорость передачи данных
по сравнению с однопроводной. Однако и здесь при увеличении
длины линии сигналы на входе приемника уменьшаются, а их
фронты — растягиваются. Кроме того, разность потенциалов между
точками а и Ъ (Uab) не должна превышать допустимого для данного
типа усилителя значения. От последнего недостатка свободная схема
(рис.2.14,6), использующая балансный усилитель-передатчик,
формирующий на выходах (а) и (Ь) напряжения Ua и Ue:
— при передаче нуля
Uа (0) = - Unpd; Ue (0) = +Unpd ,
—при передаче единицы
Ua (1) = +Unpd ; Ue (1) =-Unpd .
Преимуществом данной схемы является то, что напряжение
дифференциального сигнала, поступающее на вход приемника, по
существу в два раза выше, чем в предыдущей схеме. Это позволяет
допускать большие ослабления сигнала по линии, т.е. обеспечивать
передачу на большее расстояние. Кроме того, потенциалы на выходах
передатчика (+Unpd и — Unpd) вызывают противоположные токи в
проводах линии, что ослабляет результирующее электромагнитное
поле этой линии, приводящее к помехам в других близлежащих
линиях. Следовательно, такую среду можно использовать при
параллельной передаче; отметим также, что влияние различных
потенциалов земли передатчика и приемника при этом устраняется.
Весьма распространенным способом последовательной передачи
данных остается способ «токовой петли 20 мА», который
заимствован из телеграфии. Обычно этот способ подключения
ПРД ПРМ
Рис. 2.13
55
применяют для медленных электромеханических устройств, например,
клавиатуры, ПчУ и т.п.
Два устройства (ПРД и ПРМ) соединяются двухпроводной
линией, образующей замкнутую электрическую цепь. В передатчике
размещается ключ (К), который может размыкать цепь, а в
приемнике — детектор тока (ДТ), определяющий наличие или
отсутствие тока в цепи. Кроме того, в эту цепь включается источник
питания Е и ограничивающий резистор сопротивлением R0. Источник
питания Е и резистор R0 могут располагаться как в передатчике (в
этом случае передатчик называют активным, а приемник —
пассивным), так и в приемнике (приемник активный, а передатчик
пассивный). На рис.2.15 приведена схема «токовой петли» с активным
приемником. Резистор Ro служит для получения стандартной
величины тока 20 мА. В качестве ДТ может использоваться
электромагнитное реле или какое-либо электронное устройство;
вместо резистора R0 может использоваться электронный ограничитель
тока; ключ К также может быть электронным. Из-за опасности
повреждения электронных схем обычно величину Е устанавливают
менее 40 В. Токовая петля обеспечивает только симплексную
передачу и используется при последовательной передаче данных на
значительное расстояние (до 2 км) при малых скоростях.
Передача по двунаправленной линии. Выходы обычных TTJI-схем
не должны объединяться, поэтому такие схемы не используются для
подключения к одной магистрали нескольких устройств, каждое из
которых может служить передатчиком.
На рис.2.16 приведена схема подключения устройств к двуна¬
правленной линии посредством элементов с открытым коллектором.
Коллекторы выходных каскадов подключаются к линии, которая
заканчивается резистором оконечной нагрузки R (заглушкой). Такое
подключение можно рассматривать как схему «проводного И» для
56
ПРД
ПРМ
Рис. 2.15
положительной логики или «проводного ИЛИ» для отрицательной
логики. Недостатки такого подключения заключаются в сравнительно
малой скорости переключения и подверженности помехам.
В последнее время для подключения устройств к магистрали
более широкое распространение получили схемы с тремя состояниями
(рис. 2.17). Обычно к TTJI-схеме добавляется вход, позволяющий
запереть оба выходных транзистора Т1 и Т2, тем самым перевести
схему в состояние высокого выходного сопротивления, в котором она
не оказывает влияния на сигналы, передаваемые по линии. При
высоком потенциале на входе «вкл/откл» за счет диодов Д1 и Д2
значение выходного сигнала определяется сигналом на логическом
входе (1/0). Появление низкого потенциала на входе «вкл/откл»
приводит к тому, что оба транзистора Т1 и Т2 запираются, т.е.
схема переводится э третье состояние. Схемы с тремя состояниями
пригодны для управления теми лийиями, на которые в каждый
момент времени выдается сигнал только от одного устройства. Они
могут быть использованы для линий передачи адресов, данных и
большинства линий управления. Однако подключение линий, на
которые сигналы могут поступать одновременно от нескольких
устройств, например от линий 'запросов, должно осуществляться
посредством схем с открытым коллектором.
57
Передача по оптоволоконным линиям. Они являются однона¬
правленными, обладают меньшей массой, меньшей подверженностью
помехам и обеспечивают электрическую «развязку» передатчика и
приемника. Подлежащие передаче электрические сигналы подаются
на усилитель ПРД, нагрузкой которого является светодиод,
формирующий импульсы света, если на вход усилителя поступает
логическая «1». Световой поток светодиода через оптическую систему
подается в оптоволоконную линию и по ней — на фототранзистор
ретранслятора, где импульс света преобразуется фототранзистором в
электрический импульс, усиливается и вновь подается на светодиод
и затем в оптоволоконную линию. Таким путем импульс света
достигает приемника ПРМ, где он также преобразуется в
электрический сигнал и используется электронными схемами. Пре¬
образование электрического сигнала в световой, а затем снова в
электрический позволяет устранить влияние помех, возникающих в
цепях питания; кроме того, между точками «земля» передатчика и
«земля» приемника может возникать значительная разность
потенциалов. Поэтому такие преобразования часто используют даже
без оптоволоконной линии связи для подключения к ЭВМ
периферийного оборудования, работающего в тяжелых условиях,
например, датчиков и исполнительных устройств технологического
оборудования, станков с числовым программным управлением.
Элемент, осуществляющий такое преобразование и включающий в
себя светодиод и фототранзистор, называется оптроном.
2.4. Интерфейс ввода-вывода ЕС ЭВМ
Интерфейс ввода-вывода ЕС ЭВМ является фактически стандарт¬
ным для всех типов ЭВМ общего назначения; он совместим с
интерфейсом ввода-вывода системы IBM/370. Для обеспечения
возможности подключения ПУ с быстродействием свыше 1 Мбайт/с
разработана модифицированная версия — расширенный интерфейс.
Модифицированный расширенный интерфейс позволяет без каких-
либо изменений подключать как старые (рассчитанные на старую
версию интерфейса), так и новые модели ПУ. Этот интерфейс
построен по магистрально-цепочному принципу, является асинхрон¬
ным, дуплексным. Первая версия обеспечивает параллельную пере¬
дачу одного байта, модифицированная — двух байт.
Состав и назначение линий интерфейса ввода-вывода ЕС ЭВМ
(ОСТ 4ГО.304.000-84). Все линии разбиты на 5 групп в соответствии
с реализуемыми функциями: информационные, идентификации,
управления, маркеров и специальные. В интерфейсе использованы
однонаправленные линии, т.е. передача сигналов по ним осуществ¬
ляется либо от ПВВ (канала) к ПУ (абоненту), при этом линию и
передаваемый по ней сигнал обозначают индексом «К»; либо от ПУ
58
к ПВВ, тогда линию и сигнал обозначают индексом «А». Под
абонентом понимают устройство, подключаемое к ПВВ через
интерфейс.
Информационные линии объединены в четыре
подшины, обозначаемые ШИН: основную для прямой и обратной
передачи; дополнительную для прямой и обратной передачи. Каждая
подшина содержит 9 линий. По основным шинам прямой (ШИН-
КХО) и обратной (ШИН-АХО) передач (X принимает значения
0,1,2,...,7,К) передаются адреса, приказы, данные и информация о
состоянии в виде 8-разрядных байтов с контролем по нечетности
(девятая линия, для которой Х=К). Дополнительные шины прямой
(ШИН-KXI) и обратной (ШИН-AXI) передач используются только
при двухбайтовых передачах данных. Байты данных на них также
контролируются по нечетности.
Линии маркеров. Для указания ШИН, используемых при
передаче данных, служат линии маркеров МРК-КО, МРК-К1 и
МРК-АО, МРК-А1. Сигналы на линиях МРК-КО и МРК-АО
указывают на использование только основных шин, сигналы на
линиях МРК-К1 и МРК-А1 — на использование дополнительных
шин.
Линии идентификации. Характер передаваемой по
основным шинам информации идентифицируется сигналами на
линиях идентификации: при передаче по шине ШИН-КХО адреса
ПУ сигнал должен присутствовать на линии АДР-К, при передаче
приказа — на линии УПР-К, а при передаче байта данных — на
линии ИНФ-К или ДАН-К. При передаче по шине ШИН-АХО
обратного адреса ПУ должен быть выставлен сигнал на линию АДР-А;
для идентификации байта состояния сигнал должен присутствовать
на линии УПР-А, а для идентификации байта данных — на линии
ИНФ-А или ДАН-К. Все сигналы идентификации одновременно
выполняют функции стробирования и квитирования, поэтому они
выдаются на соответствующую линию с задержкой относительно
выдачи байта на информационную шину.
Линии у правления. Сигналы РАБ-К, РАБ-А, БЛК-К
и ОТК-А осуществляют управление взаимосвязью устройств интер¬
фейса. Сигнал РАБ-К определяет работоспособность ПВВ: все
остальные сигналы имеют смысл только при наличии сигнала РАБ-К.
Сигнал РАБ-А является ответным сигналом абонента и сигнализирует
0 его логическом подключении к интерфейсу. Сброс сигнала РАБ-К
приводит к сбросу всех ПУ, подключенных к интерфейсу. Для
селективного сброса ПУ используются сигналы БЛК-К и ОТК-А.
Сигналы ВБР-К, РВБ-К, ВБР-А и ТРБ-А используются для
Установления логической связи между ПВВ и одним из ПУ. Сигнал
сборки передается по цепочной линии ВБР-К — ВБР-А, образующей
«петлю» опроса; он является единственным сигналом, который
59
доступен абонентам неодновременно. Подключение ПУ к магистрали,
т.е. выдача им сигнала РАБ-А, производится только при наличии
на его входе сигнала ВБР-К; если данное ПУ не запрашивает права
на занятие магистрали, т.е. не формирует сигнал запроса ТРБ-А,
то сигнал ВБР-К проходит на следующее устройство, а данное ПУ
теряет право выдавать сигнал РАБ-А до следующего цикла опроса.
Специальные линии служат для управления режимами
работы, смены состояния и т.п. Они включают линии блокировки
БЛК-К, отключения абонента ОТК-А, смены состояния СМС-К и
измерения ИЗМ-К и ИЗМ-А.
Организация операций. На средства интерфейса ввода-вывода
возлагаются три основных вида операций, управление которыми
производится по жестким алгоритмам:
— установление логической связи ПВВ и ПУ;
— передача данных между ПВВ и ПУ;
— отключение ПУ от интерфейса.
Установление логической связи между ПВВ и ПУ выполняется
как по инициативе ПВВ, так и по требованию ПУ. Последователь¬
ность сигналов, формируемых ПВВ и ПУ для установления
логической связи по инициативе ПВВ, называют начальной выборкой.
Цель начальной выборки — найти адресуемое ПУ, осуществить его
логическое подключение к шинам интерфейса, передать ему байт
приказа и получить от него байт состояния. Если полученный байт
состояния ПУ свидетельствует о занятости адресуемого устройства,
то последовательность сигналов изменяется и реализуется выборка
занятого ПУ.
Временная диаграмма последовательности начальной выборки
приведена на рис. 2.18. Блок управления интерфейсом ПВВ (БУИ),
реализующий алгоритмы обмена сигналами с ПУ, анализирует
состояние линии ТРБ-А и при отсутствии сигнала, т.е. запросов на
обслуживание со стороны ПУ, выполняет последовательно следующие
действия: формирует сигнал по линии РАБ-К (канал начал работу),
помещает код адреса ПУ на шину ШИН-КХО, стробирует его
идентификатором АДР-К, затем формирует сигналы на линиях
РВБ-К и ВБР-К, т.е. выполняет следующую последовательность:
РАБ-К t, АДРЕС ПУ1 — ШИН-КХО, АДР-К t, РВБ-К t , ВБР-К 1.
В ПУ реализуется функция F1=(PAB-K) (АДР-К) (РВБ-К) -
(ВБР-К) и при FI = 1 формируется сигнал разрешения сравнения
адресов запрашиваемого по ШИН-КХО и собственного. Далее ПУ
реализует функцию F2 = <ШИН-КХ0> = N, где N — собственный
адрес ПУ. Если коды адресов не совпали, т.е. F2 = 0, то сигнал
выборки передается на следующее ПУ, которое производит ана¬
логичные действия. В случае совпадения адресов (F2 =1) передача
сигнала ВБР-К на последующее ПУ блокируется, и ПУ выдает сигнал
на линию РАБ-А (РАБ-А ♦), что сигнализирует о начале его работы.
60
Все остальные ПУ логически отключены от интерфейса и анализ
сигналов в них не производится до следующего цикла выборки.
Сигнал на линии РАБ-А позволяет ПВВ снять сигнал АДР-К и код
адреса запрашиваемого ПУ с шины ШИН-КХО. ПУ по заднему
фронту АДР-К формирует код своего адреса на ШИН-АХО (N
ШИН-АХО) и стробирует его идентификатором-квитанцией АДР-А
(АДР-At). Получив сигнал АДР-А, ПВВ снимает сигналы РВБ-К
|и ВБР-К I, выдает на шину ШИН-КХО код приказа (ПРИКАЗ —
ШИН-КХО) и формирует сигнал строба УПР-К t. ПУ принимает и
расшифровывает байт приказа, освобождает ШИН-АХО, сбрасывает
идентификатор АДР-А f. Задний фронт сигнала АДР-А приводит в
ПВВ к сбросу кода приказа и идентификатора УПР-К 4- Задний
Фронт сигнала УПР-К приводит в ПУ к установке на ШИН-АХО
байта состояния (СОСТОЯНИЕ ШИН-АХО) и выдаче строба
УПР-А 4. Интерфейсные схемы ПВВ принимают байт начального
состояния от ПУ и передают его в схемы обработки ПВВ для анализа.
В случае готовности ПУ к работе БУИ отвечает сигналом
ИНф-К 4и последовательность начальной выборки завершается.
Сигнал ИНФ-К 4 служит запросом данных от ПУ или стробирует
Данные, передаваемые в ПУ от ПВВ. После запуска в работу ПУ
Можно приступить к автономному выполнению действий по подго-
т°вке к приему (передаче) кванта информации. При этом ПУ может
61
удерживать сигнал РАБ-А (монопольный режим) или освободить
интерфейс для работы ПВВ с другими ПУ (мультиплексный режим).
После завершения автономных действий в ПУ при работе в
мультиплексном режиме для восстановления логической связи ПУ с
ПВВ используется последовательность сигналов, инициируемая або¬
нентом (рис. 2.19). Эта последовательность может быть начата лишь
тем ПУ, которое было запущено в работу процедурой начальной
выборки. Последовательность сигналов, инициируемая абонентом,
позволяет в каждый момент времени занимать шины только одному
ПУ. При наличии сигнала на линии ТРБ-А и отсутствии сигнала
на линии РАБ-А (ни одно из ПУ в данный момент не обслуживается),
ПВВ организует последовательный опрос ПУ сигналом ВБР-К ♦. При
поступлении сигналов РВБ-К, ВБР-К в ПУ и наличии в нем запроса
на обслуживание формируется сигнал РАБ-А +, сигнализирующий о
подключении ПУ к интерфейсу; ПУ выдает код своего адреса на
ШИН-АХО (N -** ШИН-АХО) и стробирует сигналом АДР-А ♦ ; при
этом блокируется передача сигнала ВБР-К на следующее ПУ. ПВВ
при поступлении сигнала АДР-А от ПУ принимает по ШИН-АХО
адрес ПУ (т.е. N), затем сбрасывает сигналы РВБ-К ♦, ВБР-К + и
устанавливает сигнал УПР-К ♦. Далее ПУ снимает сигналы ШИН-
АХО i и АДР-А V , а ПВВ — сигнал УПР-К +. Дальнейшие действия
связаны с передачей кванта данных и несколько различаются при
выполнении операций ЗАПИСИ и ЧТЕНИЯ. Последовательности
62
лвв<
ЛУ<
(РАБ-К
УПР-К
ИНФ-К
ДАН-К
\MPK~KY
'РАБ-А
УПР-А
ИНФ-А
ДАН-А
МРК-А Y
ШИН-АХО
ШИН-АХ1
Ж
ш
ш
&
ж
ъж
ш
&
ж
ш
Ж
I
7а
л
ш'
шж
ш
шшт
а.
МмгЖ
Состояние
Передача данных (чтение)
Рис. 2.20
Окончание
сигналов при передаче данных и отключении ПУ от интерфейса
очевидны из диаграммы.
В монопольном режиме ПУ удерживает сигнал РАБ-А до полного
окончания операции. При этом другие ПУ передавать информацию
не могут. Для ускорения обмена в модифицированном интерфейсе
передача может производиться двумя байтами данных (расширенная
передача) и с использованием двух сигналов идентификаторов
(ускоренная передача). Последовательность обмена сигналами между
ПВВ и ПУ при монопольной передаче данных и окончании операции
иллюстрируется рис. 2.20.
Сигналы на линиях специального управления служат для
организации управляющих последовательностей, т.е. перехода от
одной основной последовательности к другой, от одного этапа к
Другому; управления ходом выполняемой операции; прекращения ее
выполнения; организации измерения длительности ожидания и
выполнения операции. Так, сигнал БЛК-К позволяет обеспечить
оолее высокий приоритет обслуживания запроса на передачу данных
сравнению с приоритетом запроса на передачу байта состояния.
Этот сигнал выдается БУИ. Сигнал ОТК-А может выдаваться ПУ,
■Логически подключенным к интерфейсу, т.е. выставившим сигнал на
линию РАБ-А; он сигнализирует о наличии неисправности в ПУ,
которая препятствует дальнейшему продолжению последовательности
63
обмена сигналами в интерфейсе. Сигнал СМС-К препятствует
случайному изменению состояния подключенного к интерфейсу ПУ,
а сигналы ИЗМ-К и ИЗМ-А позволяют организовать измерение
длительностей ожидания обслуживания ПУ и его работы.
В интерфейсе ввода-вывода ЕС ЭВМ применяются коаксиальные
кабели, уровни сигналов ТТЛ; длина линий составляет до 50 м.
2.5. Системные интерфейсы мини- и микроЭВМ
Для структуры большинства семейств мини- и микроЭВМ
характерно наличие системного объединенного интерфейса Ио (см.рис.
2.1,6), к которому подключаются процессоры, модули ОЗУ и ПЗУ
и контроллеры ПУ. Наиболее распространенными интерфейсами этого
типа являются ОБЩАЯ ШИНА (ОШ) СМ ЭВМ, магистральный
параллельный интерфейс (МПИ), Магистраль ЕС ПЭВМ, И-41 и др.
Интерфейс ОШ СМ ЭВМ. Во всех моделях ЭВМ СМ-3, СМ-4
используется унифицированный объединенный интерфейс ОБЩАЯ
ШИНА (ОСТ 25-795-78). Он является магистрально-цепочным
асинхронным полудуплексным интерфейсом, обеспечивающим воз¬
можность параллельной передачи 2 байт информации. Передача
данных производится между ЦП и ОП, ЦП и ПУ, контроллеррм
прямого доступа к памяти (КПДП) и ОП. В каждый момент времени
обмен по магистрали осуществляется только между двумя устройст¬
вами, одно из которых является ведущим (или задатчиком ЗДТ), а
другое — ведомым (исполнителем ИСП).
Состав линий и основные операции. Передача
адреса и данных производится по разделенным системам линий,
называемым шиной (подшиной) адреса А и шиной (подшиной) данных
Д (рис. 2.21). Подшина данных позволяет передавать данные,
команды и адреса векторов прерывания. Остальные линии служат
для выполнения различных функций по управлению передачами
(ШУ1) и занятию ОШ (ШУ2).
Подшина адреса А [17-00] включает в себя 18 двунаправленных
линий, что позволяет задавать 256К различных адресов. Совокупность
всех допустимых адресов называют адресным пространством. Так
как адресуемой единицей памяти является байт, то адресное
пространство обеспечивает возможность адресации не свыше 256
Кбайт.
Подшина данных включает в себя 16 двунаправленных линий
Д [15-00] и позволяет передавать как по одному, так и по два
байта одновременно. Число одновременно передаваемых байт по ОШ
определяется сигналами на линиях управления У0, У1, т.е. типом
операции. Если должен передаваться младший байт данных по линиям
Д [07-00], то младший разряд адреса А00=0. При передаче старшего
64
>ош
Рис. 2.21
байта по линиям Д [15-08] разряд А00=1. При двухбайтовой передаче
адрес всегда четен (т.е.АООЮ).
Направление передачи данных принято определять по отношению
к ЗДТ: чтение представляет собой передачу из ИСП в ЗДТ, а
запись—из ЗДТ в ИСП. Две линии управления У [0,1], входящие
в состав ШУ1, позволяют кодировать четыре типа передач по ОШ.
Код 00 соответствует операции чтения слова, т.е. передаче 2 байт
от ИСП к ЗДТ. Код У[0,1]=10 также определяет чтение слова
(чтение с паузой), но запрещает цикл регенерации в ОЗУ; код
У [0,11=01 определяет операцию записи слова, а код У [0,1 ]=11 —
записи байта. Линии К [0,1] служат для оповещения ЗДТ о наличии
ошибки в работе ИСП при выполнении операции чтения.
Сигнал на линии синхронизации задатчика СХЗ устанавливается
ЗДТ и является стробом для сигналов на линиях адреса, данных и
У0, У1. Сброс СХЗ указывает на завершение операции по передаче
данных в ЗДТ. Сигнал синхронизации исполнителя на линии СХИ
формируется ИСП и является стробом-квитанцией. При операциях
чтения установка СХИ означает, что данные помещены ИСП на
шину данных, а при операциях записи — что данные приняты ИСП.
Сброс СХИ подтверждает, что ИСП получил сброс СХЗ.
Сигнал подготовки ПОДГ выдается ЦП и переводит все
устройства, подключенные к ОШ, в исходное состояние. Этот сигнал
выдается при нажатии кнопки ПУСК на пульте ЦП, при обнаружении
отказа сети питания, а также при возврате питания в допустимые
пределы. Сигналы аварии сети и источника питания на линиях (АСП
и АИП) вырабатываются датчиками при нарушении уровней
напряжений переменного и постоянного тока. Они позволяют
сохранить некоторую информацию в энергонезависимом ОЗУ при
аварии в системе питания.
Логическая связь между ЗДТ и ИСП и исключение возможности
одновременной работы сразу нескольких устройств обеспечиваются
СПеДиально выделенной схемой арбитра АРБ и линиями арбитража
3 " 836 65
■ЗАН
Рис. 2.22
ШУ2. Все устройства, имеющие связь со схемой АРБ посредством
ШУ2 (рис. 2.22), могут запрашивать право на занятие ОШ, т.е.
право стать задатчиком ЗДТ. Задатчиком может быть любое
устройство, кроме модулей ОП; исполнителем — любое устройство.
Процедуры передачи данных могут быть совмещены с процедурой
арбитража.
Линии арбитража служат для последовательного предоставления
ОШ (в порядке приоритетов) в распоряжение устройств, приславших
сигналы запроса на право стать ЗДТ. Эти линии включают в себя
4 линии запроса передачи ЗЩ4-7], 4 цепочных линии разрешения
передачи РП [4—7 ], линию запроса прямого доступа ЗПД, цепочную
линию разрешения прямого доступа РПД, линии ЗАН (занято) и
подтверждения выборки ПВБ.
Организация операций. На средства интерфейса ОШ
возлагается предоставление устройствам поочередного права на
занятие магистрали (арбитраж); установление логической связи
между ПУ и программой управления (передача вектора прерывания);
передача данных (запись и чтение).
Процедура арбитража. Среди устройств одного уровня приорите¬
та, т.е. подключенных к одной линии ЗП и РП, высшим приоритетом
обладает то, которое ближе расположено к АРБ вдоль линии
разрешения (например, устройство С обладает более высоким
приоритетом по отношению к F на рис. 2.22). Программам ЦП также
присваиваются определенные уровни приоритета от 7 до 1. Любое
устройство, в котором создались условия для обмена с другими
устройствами, может запросить право на использование ОШ. Для
этого оно в произвольный момент времени устанавливает сигнал на
линию запроса (передачи или прямого доступа, рис. 2.23, а и б,
соответственно). Этот сигнал попадает в АРБ, который при
отсутствиии сигнала по линии ПВБ начинает процедуру арбитража.
АРБ последовательно анализирует наличие сигналов на линиях
запросов, начиная с высшего уровня приоритета. При наличии сигнала
на одной из линий запроса АРБ выдает сигнал на соответствующую
66
Рис. 2.23
линию разрешения. Таким образом, разрешение занять магистраль
может быть получено устройством только данного уровня приоритета.
^ Пусть устройства С, Е и F (рис.2.22) выставили сигналы запроса
линии ЗП4 и ЗП7. При этом АРБ выдаст сигнал разрешения на
лИнию РП7, отдав предпочтение устройствам С и F. Сигнал по
инии РП7 последовательно опрашивает все устройства; если
67
устройство (например, С) выставило сигнал запроса, то оно блокирует
дальнейшее прохождение сигнала разрешения, т.е. этот сигнал на
устройство F не поступит при данном цикле арбитража. Устройство,
которое блокировало сигнал разрешения (в данном случае С),
становится потенциальным ЗДТ, т.е. оно формирует сигнал на линию
ПВБ и ждет, когда текущий ЗДТ освободит ОШ. Сигнал ПВБ
запрещает АРБ производить дальнейшие циклы.
Как только магистраль освобождается, т.е. предыдущий ЗДТ
снимает сигнал ЗАН, устройство С, получившее разрешение,
становится текущим ЗДТ, т.е. занимает магистраль (устанавливает
сигнал на линию ЗАН). В случае запроса передачи ПУ помещает
на шину данных адрес вектора прерывания, стробирует его сигналом
ПРЕР и сбрасывает сигнал ПВБ. ЦП принимает этот адрес по шине
данных, подтверждая его прием сигналом СХИ. Последовательность
обмена сигналами показана на рис. 2.23, а. Как только сигнал на
линии ПВБ будет снят, арбитр может начать очередную процедуру
арбитража, подготавливая следующее устройство к занятию
магистрали.
Временная диаграмма арбитража в случае запроса прямого
доступа показана на рис. 2.23, б. В этом случае вектор прерывания
не передается, а ЗДТ вырабатывает адрес и выполняет управление
передачей данных по магистрали. После выдачи сигнала разрешения
передачи или прямого доступа на получение сигнала ПВБ арбитром
отводится определенное время, достаточное для прохождения сигнала
разрешения по всем устройствам этого уровням приоритета. Для
исключения возможности бесконечно долгого ожидания при неисправ¬
ностях устройства, запрашивающего магистраль, в АРБ использован
принцип тайм-аута.
Операции чтения и записи. В этих операциях участвует ЗДТ
и И СП, причем ЗДТ должен обладать средствами прямого доступа,
т.е. автономно формировать текущий адрес данных ИСП. Алгоритмы
выполнения операции чтения в виде временных диаграмм приведены
на рис. 2.24.
В случае операции чтения слова (или чтения с паузой)
устройство, которое «захватило» магистраль (выставив сигнал ЗАН)
и стало задатчиком, выставляет текущий адрес ИСП на линии адреса
А [ 17-4)0 ] и код операции чтения (00 или 10) на линии У [0,1]; затем
с некоторой задержкой выдает сигнал СХЗ. Этот сигнал в ИСП
используется в качестве строба; по его переднему фронту начинается
декодирование адреса и команды, затем ИСП выдает данные на
шину данных Д [15-00], стробируя их сигналом-квитанцией СХИ.
При этом ЗДТ по переднему фронту СХИ принимает данные,
сбрасывает сигнал СХЗ, коды адреса и управления. ИСП сбрасывает
данные и сигнал СХИ. Если передача завершена, то ЗДТ может
освободить магистраль, сняв сигнал ЗАН. Если передача продолжа-
68
ется, то ЗДТ удерживает сигнал ЗАН и вновь выдает код адреса и
управления, стробируя их сигналом СХЗ, начиная новый цикл
передачи. При выполнении операции записи ЗДТ и ИСП взаимо¬
действуют аналогичным образом.
Среда интерфейса. Для всех линий (кроме АИП и
АСП) можно использовать стандартные усилители-приемники (ПРМ)
и усилители-передатчики (ПРД), в которых выход реализован по
схеме с открытым коллектором. Уровни сигналов соответствуют
ТТЛ-уровням. Согласующие резисторы размещаются на специальных
платах, называемых заглушками. Сигналы передаются по плоскому
кабелю, общая длина каждой линии не должна превышать 15 м, а
число ПРМ и ПРД на одной линии не должно превышать 20.
Интерфейс МПИ. Этот интерфейс (ГОСТ 26765.51-86) пред¬
ставляет собой модификацию интерфейса ОШ и используется во
многих микроЭВМ, например, серии «Электроника-60»; он совместим
с интерфейсом микроЭВМ LSI—11 фирмы DEC. МПИ является
магистрально-цепочным асинхронным параллельным полудуплексным
интерфейсом с совмещенной шиной для передачи адреса и данных.
В МПИ используются как одно-, так и двунаправленные линии.
Передача адреса и данных по линиям АД [15-00] магистрали
0сУЩествляется последовательно. В МПИ предусмотрено пять уровней
приоритетов ПУ, однако обязательными являются только два: выс¬
ший — для прямого доступа в память; низший — для программ¬
на обмена. Аналогично ОШ приоритет устройства определяется его
Расположением на линии разрешения (прямого доступа или передачи)
°тносительно арбитра.
69
Алгоритмы арбитража и управления передачей также аналогичны
используемым в ОШ. Некоторое отличие алгоритмов передачи связано
с использованием совмещенной шины адреса и данных. В МПИ
аналогом операций чтения и записи ОШ являются операции ввода
и вывода, идентифицируемые сигналами на соответствующих линиях
(ДТЧ и ДЗП). Так, при операции ввода задатчиком ЗДТ, получив
от АРБ разрешение на занятие магистрали, выдает на линии
АД [00-15] и дополнительные линии А[16-23] код адреса, а если
этот адрес является адресом ПУ, то и сигнал выбора устройства ВУ.
Затем ЗДТ запрещает регенерацию ЗУ сигналом РГН и с некоторой
задержкой выдает сигнал синхронизации обмена ОБМ, передний
фронт которого служит для стробирования адреса и запоминания его
на адресном регистре ИСП. При этом ИСП фиксирует и дешифрирует
адреса за отведенный постоянный интервал времени, по истечении
которого ЗДТ без подтверждения приема от ИСП снимает адрес и
сигнал ВУ. Затем ЗДТ устанавливает сигнал признака записи ПЗП,
который служит для ИСП запросом выставить слово данных на
подшину АД [00-15]; ИСП стробирует слово данных ответным
сигналом ОТВ. Сброс сигнала ПЗП задатчиком означает, что он
получил необходимые данные и исполнитель может снять их с
магистрали и сбросить сигнал ОТВ. Задний фронт сигнала ОТВ
позволяет ЗДТ сбросить сигнал ОБМ и тем самым освободить
интерфейс. Таким образом, переход от передачи адреса к передаче
данных осуществляется по синхронному принципу, однако весь цикл
передачи является асинхронным со стробированием и квитированием.
МПИ допускает использование ОЗУ динамического типа для
управления процессами записи, чтения и регенерации, в которых
предусмотрена специальная линия РГН. Кроме того, специальный
сигнал ПВС позволяет осуществлять прерывание от таймера или
какого-либо другого внешнего источника.
Интерфейс И-41. В мультимикропроцессорных системах с
переменным составом оборудования, называемых магистрально-мо¬
дульными, наращивание вычислительных мощностей и специализация
системы на определенные классы задач достигается не только за счет
изменения состава ПУ, но и за счет добавления универсальных или
специализированных процессоров обработки. Объединенный интер¬
фейс таких ВС должен допускать возможность подключения не¬
скольких автономных процессоров и контроллеров прямого доступа
в память. Наибольшее распространение для таких ВС получил
интерфейс И-41 (ОСТ 25969-83), который разработан на базе
исходного интерфейса MULTIBUS фирмы INTEL. Он используется в
микроЭВМ СМ 1800 и СМ 1810 различных модификаций; на его
базе организован выпуск набора модулей широкой номенклатуры с
использованием микропроцессоров К580 и К1810: процессоров общего
назначения, специализированных процессоров обработки сигналов,
70
<A[0-13] j
здЛ _
I тсилимт\
[ДЮ-
исп{
Ух AC К
{шсилимтс
У ХАСК
6)
Рис. 2.25
контроллеров прямого доступа в {a[o-jj]~) |
память для различных ВЗУ, конт- 1 *
роллеров УВВ и устройств ОЗУ и
ПЗУ.
Характеристика инте
рфейса. Итерфейс И-41 является
асинхронным тактируемым полудуп¬
лексным интерфейсом магистрально¬
го типа, обеспечивающим
одновременную передачу 2 байт ин¬
формации. Обмен данными осущест¬
вляется асинхронно по принципу
«задатчик-исполнитель». Интерфейс
И-41 допускает различные варианты
выполнения арбитража и процедур
прерывания. В нем используются как
одно-, так и двунаправленные
линии, причем для каждой из линий
оговаривается тип передатчика — с тремя состояниями, с открытым
коллектором или с TTJI-элементами. При реализации различных
схем арбитража возможно цепочное или радиальное соединение
устройств посредством линий управления арбитража. Линии передачи
адреса, данных и управления являются магистральными.
Организация операций. Операции передачи данных
между ЗДТ и ИСП не имеют особенностей. При операциях чте¬
ния или ввода (рис. 2.25, а) ЗДТ выдает адрес на шину адреса
А[0-13] и стробирует его сигналом IORC (ввод) или MRDC (чтение);
ИСП выдает информацию на шину данных Д [0—F ] и стробирует их
сигналом-квитанцией ХАСК. При операциях записи или выво¬
да (рис. 2.25, б) ЗДТ выдает адрес и данные на шины А [0-13] и
Д [0—F ] и стробирует их сигналами MWTC или IOWC соответственно.
ИСП подтверждает прием данных сигналом ХАСК.
Рассмотрим подробнее возможные схемы реализации абитража.
Простейшая схема последовательного распределенного арбитража
показана на рис. 2.26. Входной сигнал BPRN устройства, которому
присвоен наивысший приоритет, подключается к точке с потенциалом
земли, его выходной сигнал BPRO подается на вход устройства с
более низким приоритетом и т.д. Сигнал BPRN подается в цепочку
устройств постоянно и достигает устройства, которое должно стать
задатчиком. Каждое устройство имеет право выставлять запрос, т.е.
Размыкать ключ для сигнала BPRO, по положительному фронту
ъактирующего сигнала BCLK. Все устройства с более низким
пРиоритетом обнаруживают отсутствие сигнала BPRO.
Устройство по отрицательному фронту тактирующего сигнала
**CLK формирует сигнал на линии BUSY, т.е. «захватывает»
71
BCLK
BUSY
Рис. 2.26
магистраль при одновременном выполнении условий: отсутствии
выходного сигнала BPRO (данное устройство запрашивает шину),
наличии сигнала BPRN на его входе (т.е. ни одно из более
приоритетных устройств не запросило шины), отсутствии сигнала на
линии BUSY (т.е. шина свободна). Очевидно, что для правильной
работы такой схемы арбитража за один интервал тактирующих
сигналов BCLK сигнал запроса (снятие BPRO) от устройства с высшим
приоритетом распространяется до устройства с низшим приоритетом.
Центральный арбитр отсутствует, а взаимодействие схем в отдельных
устройствах координируется сигналом BCLK.
Схема параллельного арбитража, реализуемого приоритетным
шифратором, показана на рис. 2.27, о. ЗДТ может «захватить»
магистраль при наличии сигнала разрешения BPRN на его входе и
отсутствии сигнала BUSY от других устройств. Все устройства
посылают запросы на использование магистрали в центральный АРБ
по индивидуальным линиям BREQ. АРБ состоит их двух частей —
приоритетного шифратора Ш, определяющего номер наиболее
приоритетного устройства, приславшего запрос, и дешифратора ДШ,
выходы которого индивидуальными линиями соединены со входами
устройств. Разрешающий сигнал BPRN может присутствовать лишь
на одном выходе дешифратора. В интерфейсе И-41 такая схема
арбитража обычно используется для контроллеров прямого доступа
в память. Число устройств ограничено числом входов и выходов АРБ
(обычно 8). Процесс захвата шины, т.е. смены ЗДТ, показан на
рис.2.27,б. Все действия тактируются сигналом BCLK. По отрица¬
тельному фронту сигнала BCLK арбитр, получив сигнал BREQ(B)
от устройства В, снимает сигнал BPRN(A) и выдает разрешение
потенциальному задатчику В, т.е. сигнал BPRN(B). После завершения
цикла обращения текущий задатчик А по отрицательному фронту
сигнала BCLK снимает сигнал BUSY, при этом он переводит в
состояние высокого выходного сопротивления формирователи адрес¬
ных, информационных и управляющих сигналов, т.е. отключается
от магистрали. После снятия сигнала BUSY устройством А на линию
BUSY выдается сигнал от устройства В. Задатчик А может удерживать
сигнал BUSY до завершения монопольного режима обмена.
72
В CL К
а)
Рис. 2.27
Схема организации циклического арбитража аналогична парал¬
лельному, однако после завершения цикла работы, т.е. снятия сигнала
USY текущим задатчиком, ему присваивается самый низкий
пРиоритет, а приоритеты остальных устройств увеличиваются.
Программный обмен. Для организации программного обмена в
"41 предусмотрены линии управления прерываниями: запроса
73
прерываний INT [0-7] и подтверждения прерывания INTA. Интер¬
фейс И-41 допускает две процедуры прерывания: внеинтерфейсную
с формированием адреса вектора прерывания в блоке приоритетного
прерывания БПП и с векторным прерыванием, при котором источник
запроса прерывания сам выставляет адрес вектора прерывания на
шину данных.
При внеинтерфейсной процедуре прерывания каждое ПУ по
индивидуальной линии INT передает сигнал запроса прерывания в
БПП. В БПП формируется код, соответствующий уровню приоритета
прерывания, который сравнивается с уровнем приоритета текущей
программы. При более высоком приоритете запроса БПП формирует
сигнал прерывания и передает в процессор команду передачи
управления программе обслуживания ПУ, приславшего запрос.
При векторном прерывании на запрос прерывания от ПУ
процессор отвечает двумя сигналами подтверждения по линиям INTA:
первый из них фиксирует состояние блоков прерывания в ПУ и
служит для захвата магистрали процессором; второй стробирует код
номера устройства на линиях А [8-10], определенный в БПП по
номеру линии INT, и разрешает этому ПУ выставить адрес своего
вектора прерывания на шину данных; стробом при этом служит
сигнал ХАСК.
Среда интерфейса. Интерфейс физически реализован в
виде объединительной печатной платы, на которой расположены
разъемы для установки модулей (ЦП, контроллеров, ОЗУ, ПЗУ),
выполненных на стандартных печатных платах Е2. Допускаются
соединения отрезков магистрали посредством плоского кабеля. Общая
длина линии не должна превышать 3 м.
2.6. Малые интерфейсы периферийных устройств
Группа малых интерфейсов (ранга И4) обеспечивает подклю¬
чение ПУ к контроллерам; требования, предъявляемые к малым
интерфейсам, могут существенно различаться в зависимости от
особенностей ПУ. Интерфейсы ПУ со специализированными конт¬
роллерами не унифицируют; контроллеры конструктивно объединяют
с самим ПУ; при этом устройство подключается непосредственно к
системному интерфейсу. Если же контроллер предназначен для
управления несколькими ПУ, то малый интерфейс унифицируют,
что позволяет уменьшить номенклатуру контроллеров (посредством
контроллеров одного типа можно подключать к ЭВМ различные типы
ПУ) и использовать одни и те же ПУ в различных типах ВС.
Функции управления ПУ разбиваются на два уровня — непосредст¬
венного управления механизмами и аппаратурой ПУ, осуществляе¬
мого схемами местного управления, и преобразования алгоритмов
обмена системного и малого интерфейсов, реализуемого контроллером.
74
Наиболее характерными примерами малых интерфейсов могут
служить интерфейсы накопителей на магнитных дисках (НМД) для
подключения к групповым контроллерам, интерфейсы параллельный
ИРПР и последовательный ИРПС для подключения дисплеев,
печатающих устройств, а также интерфейсы для подключения
терминалов (стыки). Для унификации контроллеров малых ЭВМ все
чаще используют «системный интерфейс малых ЭВМ» (SCSI),
предназначенный для подключения основных типов ПУ. Малые
интерфейсы во многих случаях должны обеспечивать удаление ПУ
на значительные расстояния. Ниже рассмотрены наиболее распро¬
страненные малые интерфейсы, обладающие наибольшей степенью
унификации — ИРПР, ИРПС и С2.
ИРПР — параллельный, радиальный, асинхронный симплексный
интерфейс — служит для подключения сравнительно медленных ПУ
к контроллеру. Интерфейс унифицирован физически и имеет
несколько модификаций логической организации. Линии интерфейса
являются однонаправленными и связывают один приемник (П) и
один передатчик-источник (И). Функции приемника и источника
могут выполняться как контроллером, так и ПУ. Интерфейс
обеспечивает возможность параллельной передачи не более 16 бит.
Состав и назначение линий. В обозначениях линий
присутствует индекс И или П, означающий, что источником сигнала
на данной линии является передатчик (И) или приемник (П); если
индекс отсутствует, то источником сигнала является передатчик.
Часть линий необязательна. Сигнал Г-И (готовность источника)
свидетельствует о готовности источника к работе. Сигнал Г-П
(готовность приемника) передается источнику и информирует его о
готовности приемника к приему информации. Сигнал строба СТР
формируется источником и служит для стробирования информации
на линиях передачи данных D [0—15 ]. Сигнал 3-П (запрос приемника)
свидетельствует о готовности принять очередной квант информации
от источника. Кроме перечисленных могут использоваться линии
КР [0-1 ] для сопровождения младшего и старшего передаваемых байт
контролем по четности; С-П[1-8] для передачи источнику инфор¬
мации о состоянии приемника по окончании операции; О—И [ 1—8 ]
Для передачи управляющей информации приемнику (например,
способа контроля, числа передаваемых бит по линиям Д и т.д.).
Предусмотрены также линии экрана и ОВ (нуль) для создания
замкнутой цепи передачи сигналов. Взаимосвязь сигналов при
выполнении обмена данными, инициируемого источником по сигналу
Г-И, показана на рис. 2.28.
Среда интерфейса. В интерфейсе принята инверсная
логика. В источнике используются усилители с открытым коллектором
с уровнями логической единицы 0-0,4 В и логического нуля
^4--5.25 В. Усилители в приемнике воспринимают уровни сигнала
''-О >8 В в качестве логической единицы, а 2,5-5,25 — в качестве
логического нуля. Длина кабеля не должна превышать 15 м.
75
Существует несколько модификаций
логической организации интерфейса для
подключения устройств ввода с перфо¬
лент (ИРПР-ПЛ), видеотерминалов
(ИРПР-ВТ), устройств печати (ИРПР-
ПЧ) и т.д., которые отличаются
наличием или отсутствием контроля
передаваемой информации, длиной
передаваемого слова и назначением
отдельных сигналов С-Й [1-8] и С-П
[1-8].
ИРПС — последовательный ра¬
диальный асинхронный дуплексный
интерфейс служит для подключения к
ПУ. Для ИРПС установлены наборы
сигналов, алгоритмы обмена, временные соотношения и требования
к физической реализации. В ИРПС организована передача сигналов
по принципу токовой петли 20 мА (или 40 мА) по двухпроводной
линии связи; допускается использование отдельной линии взаимос¬
вязи, указывающей на состояние ПУ. Передача информации
осуществляется асинхронным способом в соответствии с форматом,
приведенном на рис. 2.3,6. Стартовый бит соответствует отсутствию
тока; число информационных бит составляет 5, 7 или 8; допускается
бит контроля по четности, число стоповых бит—1; 1,5 или 2. В
интервале между передачей знаков или слов цепи должны находиться
в состоянии единицы (наличие тока 20 мА в цепи). Если ПУ
предназначено для приема, то цепь передачи остается разомкнутой.
Ток в цепи взаимосвязи означает готовность приемника, а его
отсутствие — что приемник не готов к приему нового кванта
информации.
Интерфейс ИРПС обеспечивает возможность передачи инфор¬
мации со скоростью 9600 бит/с на расстояние до 500 м.
Двухпроводная линия цепи передачи тока выполняется в виде витой
пары.
Стык С2. В сетях ЭВМ и системах телеобработки при
подключении ЭВМ и терминалов к аппаратуре передачи данных
(АПД) используются унифицированные интерфейсы-стыки (С).
Наиболее распространенным является стык С2, цепи которого
регламентируются ГОСТ 18145-81 и рекомендациями V.24 МККТТ;
стык С2 является аналогом интерфейса RS-232-C. Стандартом
определены скорости передачи данных, типы и число контактов
разъема, электрические параметры приемников и передатчиков, виды
соединений и процедурные условия.
Стык С2 применяется при синхронной и асинхронной передачах
данных по некоммутируемым и коммутируемым каналам связи. Он
76
Г-И |—
г_п_1
контроллерам асинхронных
содержит две группы линий — цепи общего назначения (серия 100)
и цепи автоматического установления соединения (серия 200).
Цепи серии 100, общее число которых составляет 36, по
назначению могут быть разбиты на четыре категории: заземления,
данных, управления и синхронизации. Действия сигналов в этих
цепях зависят от основных состояний оконечного оборудования
данных (ООД) и аппаратуры передачи данных (АПД) — ВКЛЮЧЕНО
и ВЫКЛЮЧЕНО. Несмотря на большое число цепей стыка, данные
через него передаются последовательно: для передачи данных в АПД
предусмотрена цепь 103, для приема данных — цепь 104. Кроме того,
предусмотрены цепи 118 и 119 для организации передачи по
обратному каналу с целью проверки принятого сообщения. Для
управления передачей служат следующие цепи: ЗАПРОС ПЕРЕДАЧИ
(цепь 105), формируемый в ООД и запрашивающий ГОТОВНОСТЬ
АПД к следующему циклу; ГОТОВ К ПЕРЕДАЧЕ (цепь 106),
подтверждающий готовность АПД к следующему циклу передачи;
АПД ГОТОВА (цепь 107), сигнализирующий о готовности АПД к
работе; ТЕРМИНАЛ ГОТОВ (цепь 108), подтверждающий готовность
ООД к работе; ИНДИКАТОР ВЫЗОВА (цепь 125), указывающий
на получение в АПД вызова от удаленного абонента. Кроме того, в
С2 предусмотрены цепи управления обратным каналом.
Синхронизация передаваемых данных осуществляется сигналами по
цепям 113 и 114 (синхронизация элементов принимаемого сигнала).
Остальные цепи служат для задания скорости передачи данных,
синхронизации, передачи информации о качестве принимаемых
сигналов по каналу связи и т.п.
Цепи серии 200 используются при автоматическом вызове
удаленных абонентов и обеспечивают заземление, передачу цифровых
данных и знаков управления набором, а также управление АПД при
выполнении автоматического набора.
В зависимости от конкретного типа ООД и АПД могут быть
использованы не все цепи стыка, поэтому указание на стык С2 еще
не означает возможности подключения любых АПД. Стандарт
определяет электрические параметры сигналов. Так, состояние «0» в
передатчике определяется уровнем от +5 до +15 В, а в приемнике
выше +ЗВ; состояние «1» в передатчике соответствует уровню от -5
Д° — 15В, а в приемнике ниже — ЗВ. Существует вариант стыка
С2-ИС, в котором логической «1» соответствует уровень сигнала
ниже — 0,3В, а логическому «0»-выше +0,3 В.
Посредством стыка С2 можно подключить ПУ к контроллеру
'ЗВМ и без использования АПД и каналов связи. Следует при этом
иметь в виду, что поскольку АПД выполняет функцию коммутации
приема и передачи сообщения, то при непосредственном подключении
к контроллеру через стык С2 необходимо цепь 103 стыка на
77
стороне ПУ соединить с цепью 104 стыка на стороне контроллера,
а цепь 103 стыка со стороны ПУ — с цепью 103 на стороне
контроллера. Остальные соединения осуществляются между одноимен¬
ными цепями стыков.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение аппаратного интерфейса. Каковы его функции? Чем объясняется
наличие интерфейсов различных рангов?
2. В чем особенности передачи информации в параллельном интерфейсе?
3. Сравните скорость передачи при синхронной и асинхронной организации интерфей¬
сов.
4. Перечислите основные топологические схемы соединения устройств. Как в них
организуется логическая связь между конкретными устройствами?
5. Что следует понимать под средой интерфейса? Дайте сравнительную характеристику
различным средам и укажите области их использования.
6. Какие схемы усилителей-приемников и усилителей-передатчиков могут быть
использованы для одно- и двунаправленных линий?
7. Каково назначение арбитража? Как он реализуется в И-41, МПИ? Какими средст¬
вами реализуются аналогичные функции в интерфейсе ввода-вывода ЕС ЭВМ?
8. Как достигается ускорение обмена в интерфейсе ЕС ЭВМ?
9. Перечислите особенности малых интерфейсов. Назовите основные интерфейсы ранга
И4, каковы требования к их унификации?
Классификации и описанию интерфейсов посвящены [8,26], однако при практической
работе следует пользоваться непосредственно стандартами, определяющими не только
функциональные, но и временные требования. Перечень стандартов на интерфейсы приве¬
ден в [26]. Подробно последовательности сигналов начальной выборки, передачи данных и
окончания в интерфейсе ЕС ЭВМ изложены в [25,31]. Системные и малые интерфейсы
мини- и микроЭВМ рассмотрены в [25,26], инструментальные интерфейсы — в [26].
3. ЛОГИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ
ВВОДА-ВЫВОДА
При построении ЭВМ в виде систем с переменным составом оборудования и разра¬
ботке семейств ЭВМ требование стандартизации аппаратных интерфейсов СВВ является
недостаточным. Более общее требование заключается в единстве логической структуры
СВВ в пределах каждого семейства, при этом модели ЭВМ семейства различаются лишь
физической структурой. Логическую организацию СВВ определяют форматы управляю¬
щей информации и способы ее передачи между компонентами СВВ, взаимосвязь прог¬
раммных средств при операциях обмена, структура и организация КВВ.
Для организации совместной работы автономно функционирующих устройств в
процессе ввода-вывода возникает необходимость в передаче между компонентами СВВ
различной управляющей информации. Команды или приказы формируются компонен¬
тами СВВ более высокого уровня иерархии и передаются компонентам более низкого
уровня; команды в закодированном виде определяют указания выполнить те или иные
действия. Компоненты СВВ более низкого уровня должны подгвержать получение команд
и оповещать компоненты СВВ более высокого уровня о возможности или невозможности
их выполнения, а также о завершении действий по их выполнению; такое оповещение
выполняется посредством информации о состоянии. Объем управляющей информации
зависит от специфики устройства, которому передается команда или состояние которого
она характеризует, однако форматы управляющей информации и способы ее передачи
должны быть едиными для всех моделей ЭВМ одного семейства и всех ПУ.
Непосредственное управление ПУ осуществляется с помощью команд, или приказов.
Термином «приказ» будем пользоваться только в том случае, если необходимо подчерк¬
нуть различие управляющей информации для ПУ и других компонентов СВВ. Совокуп¬
ность всех допустимых для данного ПУ приказов образует систему команд. Системы
команд различны для различных ПУ. Так, например, приказ «читать» для ПчУ будет
восприниматься как недопустимый.
С точки зрения программной организации ввода-вывода все ЭВМ можно разделить
на три класса;
1) со специальной системой команд КВВ. Эта организация характерна для ЭВМ
общего назначения с развитыми ПВВ; инициирование работы ПВВ осуществляется
специальными командами ввода-вывода, предусмотренными в системе команд ЦП, а
Работа ПВВ осуществляется под управлением собственных программ;
2) со специальными командами ввода-вывода в системе команд машины, однако без
Дополнительной системы команд КВВ. Вся управляющая информация компонентам СВВ
передается посредством этих команд. Такую организацию имеют некоторые микроЭВМ;
3) без специальных команд ввода-вывода в системе команд машины. Необходимая
Управляющая информация передается компонентам СВВ посредством команд, использу-
79
емых для обращения к ячейкам ОП. Этот тип организации характерен для большинства
мини- и микроЭВМ.
3.1. Логическая организация систем ввода-вывода ЭВМ общего назна¬
чения
В ЭВМ общего назначения с раздельными интерфейсами памяти
и ввода-вывода можно выделить следующие уровни иерархии в СВВ:
ПВВ — контроллер — ПУ. Вся необходимая для организации обмена
информация делится на две части: не зависящая от специфики ПУ,
которая служит для инициирования операции ввода-вывода и
управления передачей данных в память; зависящая от специфики
ПУ, которая используется для непосредственного управления
действиями в ПУ.
Иерархия команд. В системе команд ЦП предусматрива¬
ется по крайней мере одна специальная команда для инициирования
обмена. Эта команда служит для передачи ПВВ управления и
содержит код операции инициирования и адрес месторасположения
программы ПВВ в ОП; она содержит также адрес ПУ, который
определяет «маршрут» передачи данных и строится по иерархическому
принципу, т.е. состоит из номера ПВВ, номера контроллера и номера
ПУ. При наличии нескольких альтернативных маршрутов в развитых
СВВ предусматривается задание логического имени ПУ, которое
передается в СВВ для определения возможного маршрута, т.е.
составления физического иерархического адреса ПУ. Если команда
ЦП для инициирования обмена не содержит адреса ПУ, то он
определяется в командах ПВВ, что позволяет посредством одной
программы ПВВ обслужить несколько однотипных ПУ (что харак¬
терно для систем управления). Местоположение программы ПВВ в
ОП определяется адресом ячейки, содержащей первую команду
программы ПВВ.
В системе команд IIBB предусматривается множество операций,
отражающих действия, выполняемые в ПУ, и их специфику. Однако
формат этих команд должен быть унифицированным, что позволит
подключать новые ПУ путем введения дополнительных программ
ПВВ. При программной организации КВВ можно рассматривать как
своеобразную подпрограмму, вход в которую осуществляется по
команде инициирования ввода-вывода. При этом следует иметь в
виду, что ЦП должен «перестроиться» на систему команд ПВВ.
Каждая команда ПВВ, или управляющее слово (УС), в общем случае
содержит код операции и описание области ОП (например, начальный
адрес и длину области). Код операции в УС определяет направление
передачи, вид передаваемой информации и служит основой для
формирования приказа для ПУ, определяющего конкретные действия
в нем.
80
Таким образом, можно выделить три уровня управляющей
информации: команды инициирования ввода-вывода для ЦП, управ¬
ляющие слова ПВВ, приказы ПУ. Для нормального функциони¬
рования СВВ необходима информация, поступающая вверх от нижних
ступеней иерархии и определяющая способность СВВ и ее отдельных
компонентов выполнять операцию. Эта информация передается от
ПУ в ПВВ в виде байтов состояния, а от ПВВ в ЦП — в виде
слова состояния СВВ. Слово состояния СВВ содержит информацию,
характеризующую совокупное состояние системы, т.е. способность
или неспособность выполнить требуемую операцию, а также позво¬
ляющую возобновить операцию после устранения причин, вызвавших
ее остановку.
Совокупное состояние СВВ определяется состоянием
всех участвующих в операции компонентов. В простейшем случае
состояние СВВ характеризуется как доступное, когда все компоненты
СВВ могут осуществлять действия, связанные с выполнением данной
операции, и недоступное, если хотя бы один из компонентов не
может приступить к выполнению операции. Совокупное состояние
не может характеризовать все многочисленные условия, возникающие
в СВВ с разнообразными ПУ. Поэтому в тех случаях, когда
информация о состоянии недостаточна для принятия решения,
например при отказе какого-либо компонента, предусматривается
возможность уточнения состояния. Информация об уточненном
состоянии отражает специфику каждого конкретного ПУ, а ее объем
зависит от сложности ПУ; эта информация должна обрабатываться
специальными программами для каждого ПУ. Необходимость уточ¬
нения состояния СВВ в современных ВС, отличающихся высокой
надежностью, возникает достаточно редко.
Упрощенная схема взаимодействия компонентов СВВ с помощью
команд ЦП, управляющих слов ПВВ, приказов ПУ, байтов и слов
состояния сводится к следующему. ЦП в процессе выполнения
обработки обнаруживает команду инициирования ввода-вывода и
передает ее в сответствующий ПВВ. Если данный ПВВ способен ее
принять, то команда ввода-вывода помещается в нем на регистр РгК.
При невозможности принять команду ПВВ формирует слово состояния
с указанием причины, по которой команда отвергнута. Это слово
состояния передается в ЦП.
Содержимое принятой команды используется для запроса первого
УС программы ПВВ и, если она содержит адрес ПУ, для запроса
состояния контроллера и ПУ. Адрес УС передается на адресную
ишну ОП, и в ответ по информационной шине ПВВ получает первое
УС программы, которое размещается на регистре управляющего слова
РгУС в блоке центрального управления. Адрес ПУ передается БУИ
Аля реализации процедуры начальной выборки. ПУ отвечает о своем
Состоянии байтом состояния, который заносится на РгС, где
81
формируется слово состояния СВВ. ЦП может продолжить выпол¬
нение программы обработки только после того, как убедится, что
ПВВ приступил к выполнению операции, т.е. после получения
информации о состоянии СВВ.
Код операции УС в ПВВ используется для формирования
приказа, передаваемого в ПУ через интерфейс ввода-вывода. Обычно
УС позволяет управлять передачей блока данных, поэтому оно
содержит описание области ОП, где находится этот блок при выводе
или где он должен быть размещен при вводе. Такое описание может
быть выполнено тремя способами: указанием начального и конечного
адресов, начального адреса области и ее длины (определяется
содержимым поля счетчика данных СчД) или конечного адреса и
длины. Любой из этих способов позволяет вычислить текущий адрес
ячейки ОП, в которую заносится очередное слово данных, полученное
из ПУ при вводе, или из которой выбирается слово для передачи
на ПУ при выводе. Кроме того, можно вычислить текущую длину
подлежащего передаче блока. Для вычисления очередного адреса
данных при обработке каждого слова данных в ПВВ (приема и
передачи) текущий адрес увеличивается на единицу, одновременно
уменьшается на единицу содержимое счетчика данных СчД. При
достижении нуля в СчД операция под управлением первого УС
завершается. Для продолжения обмена с данным ПУ необходимо
выбрать следующее УС; для этого увеличивают содержимое регистра
адреса УС (РгАУС), функции которого аналогичны функциям
программного счетчика в ЦП.
В программе ПВВ необходимо указать, какое УС является
последним, для этого используется либо специальный код останова
в системе команд ПВВ, либо цепочка команд, организуемая
посредством указателей (см. пример ЕС ЭВМ). В результате
выполнения последнего УС состояние компонентов СВВ изменяется.
ПВВ формирует слово конечного состояния и запрос прерывания ЦП.
Слово конечного состояния, принятое ЦП в результате обработки
прерывания, информирует его об условии завершения операции
обмена (успешно или неуспешно).
Как видно, управление работой ПВВ осуществляется последова¬
тельностью УС, т.е. его программой. Составление таких последова¬
тельностей УС называют иногда программированием ввода-вывода.
Оно чрезвычайно трудоемко и требует понимания специфики работы
каждого используемого ПУ. Именно поэтому современные системы
позволяют программисту не составлять программы ПВВ, а обращаться
за ними к операционной системе (ОС).
Необходимость в написании программ ПВВ возникает только
при включении в состав ВС новых ПУ. Компоненты ОС, обеспечива¬
ющие координацию действий при вводе-выводе, называют програМ'
мным обеспечением ввода-вывода, в состав которого входят
82
пп пд пм
Рис. 3.1
программы (методы) доступа (ПД), супервизор (или монитор ПМ)
и ряд других программных модулей ЦП. Взаимодействие программных
модулей ОС осуществляется посредством макрокоманд (рис. 3.1). При
составлении прикладных программ программист описывает все
используемые файлы и форматы вводимых и выводимых данных.
Эти описания в процессе ассемблирования преобразуются в блоки
параметров для последующей «настройки» программ ПВВ. Программы
пользователя непосредственно не содержат команд инициирования
ввода-вывода, так как к одному ПВВ или ПУ может быть очередь
запросов от разных программ пользователей (ПП). Кроме того, к
моменту выдачи команды инициирования ввода-вывода должна быть
закончена настройка программы ПВВ на данную операцию. Поэтому,
чтобы инициировать ввод-вывод, ПП содержит макрокоманду (МК1)
обращения к системной программе ПД.
Макрокоманда МК1 передает программе ПД параметры, необ¬
ходимые для настройки программы ПВВ на данную операцию. После
завершения настройки управление посредством макрокоманды МК2
передается ПМ. Монитор ПМ ставит запрос в очередь, выбирает
очередной запрос на обработку в ПВВ и выдает команду (К)
инициирования ввода-вывода, обрабатывает прерывание, а также
иьтолняет ряд дополнительных действий по обработке информации,
полученной в слове состояния. После постановки запроса в очередь
ПМ возращает управление программе ПД, а она в свою очередь —
программе ПП. После выдачи монитором команды инициирования
Ввода-вывода в ПВВ и подтверждения (словом состояния — СС) о
^ принятии к исполнению ПМ возвращает управление ПП.
Программы ПП, ПД и ПМ реализуются средствами ЦП. Параллель-
работа ЦП и ПВВ реализуется только после подтверждения от
*ВВ о принятии к исполнению команды инициирования ввода-вы-
83
вода. Несколько подробнее взаимодействие компонентов программного
обеспечения ввода-вывода рассмотривается далее применительно к
СВВ ЕС ЭВМ.
3.2. Организация ввода-вывода в ЕС ЭВМ
В ЕС ЭВМ предусмотрено использование нескольких типов ПВВ,
различающихся пропускной способностью, способностью одновременно
выполнять несколько программ (в режиме разделения времени) по
обслуживанию различных ПУ, а также режимом передачи. В первых
очередях ЕС ЭВМ было принято ПВВ называть каналами ввода-вы¬
вода (КВВ); предусматривалось использование селекторных (СК),
байт-мультиплексных (МК) и блок-мультиплексных (БлМК) КВВ,
Во всех этих КВВ используется универсальный интерфейс ввода-вы¬
вода. В последней очереди ЕС ЭВМ используются ПВВ, ориентирован¬
ные на различные типы ПУ: универсальный ПВВ, имеющий
стандартный интерфейс ввода-вывода и служащий для подключения
разнообразных ПУ среднего и низкого быстродействия; процессор
управления внешней памятью на МД (ПрМД), имеющий расширен¬
ный интерфейс; процессор телеобработки (ПрТО), служащий для
подключения аппаратуры для предоставления удаленного доступа.
Управляющая информация для операций ввода-вывода. Управ¬
ляющая информация от компонентов СВВ более высокого уровня
компонентам более низкого уровня передается в виде команд или
приказов; в обратном направлении может передаваться только
информация о состоянии.
Команды ввода-вывода. В системах команд ЕС ЭВМ
предусмотрены специальные операции, служащие для инициирования
программ в ПВВ. Команды ввода-вывода, реализующие эти операции,
имеют формат S, т.е.
КОп [0—15], В [16—19], D [20—31],
где для кода операции КОп отведены разряды 00—15, для поля базы
В—разряды 16—19 и для поля смещения D—разряды 20—31. В
результате сложения содержимого регистра В с содержимым поля D
при выполнении команды формируется исполнтельный адрес ПУ,
занимающий разряды 16—31, т.е.
КОп [0—15], АКВВ [16—23], АПУ [24—31].
Разряды 16—23 отведены под код адреса Г1ВВ, причем обычно
используются разряды только 21—23; разряды 24—31 служат для
кодирования адреса ПУ.
Предусматриваются следующие команды ввода-вывода:
84
SIO
- начать ввод - вывод
SIOF
- начать ввод - вывод с быстрым
отключением
TIO
- проверить ввод - вывод
CLRIO
- освободить ввод - вывод
ню
- остановить ввод - вывод
HDV
- остановить устройство
тсн
- проверить канал
STIDC
- записать идентификатор
В моделях первой очереди ЕС ЭВМ допускалось использование
только первых четырех команд, код операции которых размещался
в первом байте, а содержимое второго байта игнорировалось. В
моделях последующих очередей набор команд ввода-вывода расширен
до 8, коды операций которых различаются содержимым бита 15.
Для указания месторасположения начала программы ПВВ в ЕС
ЭВМ используется специальное адресное слово канала (АСК), формат
которого имеет вид:
Кл [0—3], АУС [8—31]
Первые четыре бита занимают ключ защиты памяти (Кл),
служащий для предотвращения случайного или преднамеренного
обращения к области ОП, отданной в распоряжение другой программе.
Адрес УС занимает биты 8 — 31. АСК помещается в определенную
ячейку ОП перед выдачей команды инициирования ввода-вывода.
Основной командой ввода-вывода является команда SIO. При
получении ее ПВВ обращается за АСК в фиксированную ячейку ОП
и одновременно с этим передает содержимое поля адреса ПУ в блок
управления интерфейсом. Выполнение программы в ПВВ начинается
только после получения от ПУ подтверждения способности выполнять
операцию. Это подтверждение передается в ПВВ в виде байта
состояния, затем ПВВ передает в ЦП слово состояния СВВ,
называемое в ЕС ЭВМ словом состояния канала (ССК). Информация
в ССК используется для выработки признака результата команды
SIO, который служит разрешением ЦП продолжать выполнение
программы-монитора ПМ, а затем и программы пользователя. При
этом признак результата определяет конкретные действия ПМ. Если
запуск операции прошел нормально, то ПВВ по указанному в АСК
адресу выбирает из ОП первое УС и начинает обслуживание ПУ.
По команде SIOF ССК передается в ЦП как только ПВВ
получает АСК. Таким образом, операция считается начатой, хотя
Действительное состояние ПУ еще неизвестно; эту ситуацию в ССК
отражают, устанавливая специальный признак. В некоторых случаях,
если вероятность нахождения ПУ в доступном состоянии велика,
команда SIOF позволяет быстрее приступить к продолжению
обработки в ЦП. В случае, если предположение о доступности ПУ
Для начатой операции оказалось ошибочным, то СВВ формирует
повое ССК и передает его по запросу прерывания.
85
Команда НЮ служит для принудительного прекращения ранее
начатой операции обмена до ее завершения в ПВВ и ПУ. Команда
HDV аналогично прекращает выполнение операции в адресуемом
ПУ. Конкретная последовательность действий в ПВВ и ПУ,
выполняемых по командам НЮ и HDV, зависит от режима передачи,
типа ПВВ и состояния СВВ. Команды ТЮ и ТСН позволяют ЦП
определить текущее состояние адресуемого ПВВ и ПУ.
Команда CLRIO служит для прекращения текущей операции в
адресуемых ПВВ и ПУ, при этом информация о текущем состоянии
отражается в запоминаемом ССК. Это позволяет в дальнейшем
продолжить прерванную операцию. По этой команде ПВВ и ПУ
переводятся в доступное состояние для выполнения другой операции
ввода-вывода.
По команде STIDC в определенную ячейку Olt записывается 4
байта информации, описывающей данный КВВ: его тип, номер модели
и длину используемого им поля регистрации.
Система команд ПВВ. Программа ПВВ представляет
собой последовательность УС, называемых в ЕС ЭВМ командными
словами канала (КСК), или командами канала. Принят следующий
формат КСК:
КОп [0—7 ], АД [8-31], Ф [32-37], СчД [48-63].
где КОп — код операции, выполняемой ПВВ, занимает первый байт;
АД — начальный или конечный адрес области ввода-вывода,
куда ПВВ заносит или откуда получает слова данных;
Ф — указатели-флаги, определяющие дополнительные условия
выполнения операции в ПВВ;
СчД — счетчик данных, определяющий длину массива данных,
передаваемых под управлением одного КСК. Поля АД и СчД задают
область ввода-вывода в ОП.
В системе команд ПВВ предусматривается шесть типов операций,
коды и названия которых приведены в табл.3.1.
Символом «х» обозначены разряды КОп КСК, содержимое
которых безразлично для ПВВ; символом «М» — разряды
модификации. КОп является основой для формирования приказа ПУ,
разряды модификации в котором определяют конкретные действия в
каждом отдельном контроллере или ПУ. Младший разряд КОп
определяет направление передачи информации: при «0» информация
передается из ПУ в ОП; а при «1» — из ОП в ПУ.
Операции записи, чтения и чтения в обратном направлении
служат для передачи данных между ПУ и ОП. Операции уточнения
состояния и управления служат для передачи управляющей инфор¬
мации. В операциях записи, чтения, управления и уточнения
состояния ячейки ОП используются в порядке возрастания адресов,
т.е. при передаче информации в ОП или из нее адрес в поле А
86
[8-31 ] увеличивается АД* = АДи +1,
а содержимое поля счетчика СчД д°
[48-63] уменьшается:
СчД; = СчД м — 1.
АД.7
При операции чтения в обратном
направлении данные заносятся в ОП в
порядке убывания адресов, при этом и
адрес, и счетчик уменьшаются. Опе¬
рация завершается при нулевом зна¬
чении СчД. На рис. 3.2 показано заполнение области ОП при
выполнении операций чтения (а) и чтения в обратном направлении
(б). АДо и СчДо —начальные значения полей в КСК, полученном
из ОП; ADt и СчДт — текущее значение адреса и счетчика,
определяющее, в какую ячейку памяти должно быть направлено
обрабатываемое в ПВВ слово данных и сколько ячеек еще подлежит
заполнению.
Таблица 3. 1
Код операции КСК
Наименование операции
хххх 0000
Код операции недопустим
ММММОЮО
Уточнить состояние
хххх 1000
Переход в канале
MMMNTT100
Читать в обратном направлении
ММММ ММ 10
Читать
ММММ ММ01
Писать
ММММ ММ 11
Управление
Команда управления ПВВ служит для передачи на ПУ
управляющей информации в виде приказов; команда «уточнить
состояние» служит для получения от ПУ байтов уточненного
состояния устройства, число которых для разных ПУ различно.
Команда «переход в канале» не приводит к передаче информации
через интерфейс ввода-вывода и служит для управления последова¬
тельностью выполнения КСК в ПВВ.
В системе команд ПВВ отсутствует специальный код завершения
пРограммы; вместо этого программа ПВВ строится в виде цепочки
КСК, т.е. в каждом КСК устанавливается указатель, определяющий
необходимость выборки следующего КСК или завершения операции.
Такими указателями в ЕС ЭВМ являются цепь данных (ЦД) и цепь
команд (ЦК). Текущая выполняемая команда ПВВ является послед¬
ней в программе, если оба указателя сброшены, т.е. ЦД=Ю и ЦК=0.
Если установлен указатель цепи данных (ЦД=1, т.е. в разряде 32
87
текущего КСК находится 1), то после завершения выполнения КСК
(счетчик данных СчД=0) ПВВ немедленно выбирает следующее КСК
и приступает к его выполнению. Это следующее КСК определяет
новую область ОП (АД и СчД) и новые указатели; КОп игнорируется.
Передача данных между ОП и ПУ не приостанавливается, код
приказа на ПУ не передается.
В случае установки указателя цепи команд (ЦК=1, т.е. в разряде
33 записана единица) ПВВ после того, как содержимое счетчика
СчД при выполнении текущего КСК станет равным нулю, получает
байт состояния от ПУ. Затем ПВВ выбирает из ОП следующее КСК,
При использовании указателя ЦК новое КСК определяет все четыре
поля: КОп, АД, Ф, СчД.
Кроме указателей ЦД и ЦК в ЕС ЭВМ предусмотрены указатели
подавления индикации неправильной длины (ПИНД, разряд 34),
блокировки записи в память (БЗ, разряд 35), программно-управля¬
емого прерывания (ПУП, разряд 36), косвенной адресации данных
(КАД, разряд 37).
В процессе обмена ПВВ сравнивает длину физической записи,
характерной для данного ПУ с числом фактически переданных байт.
В случае несоответствия ПВВ вырабатывает сигнал прерывания,
прекращая выполнение программы ПВВ. Например, при вводе данных
с ПК физическая длина записи составляет 80 байт, а фактически
может вводиться меньше. В случае, если ПИНД=1 и отсутствует
указатель цепи данных, т.е. ЦД=0, сигнал об обнаружении
несоответствия длины записи и числа переданных байт блокируется,
что позволяет, в частности, не читать ПК до конца.
При необходимости пропуска части информации из непрерывного
потока данных от ПУ в процессе ввода устанавливается указатель
Б3=1. При наличии его ПВВ производит все действия по приему
данных из ПУ, подсчету их числа, проверке правильности, но не
передает их в ОП; таким образом, при Б3=1 содержимое полей АД
в КСК безразлично. Указатель ПУП вызывает формирование в ПВВ
условий прерывания, как только это КСК поступает на обработку.
Посредством прерывания можно сообщить ЦП о том, что он может
приступить, например, к обработке данных, чтение которых завер¬
шено при выполнении предыдущих КСК.
Указатель КАД=1 определяет режим косвенной адресации,
который служит для организации обмена между ПУ и несмежными
страницами ОП. Каждой такой странице, размер которой фиксирован
и может составлять до 2048 байт, соответствует базовый адрес Ае;
(начальный или конечный). Эти адреса располагаются в списке слов
косвенной адресации, начиная со второй строки. Первая строка
определяет смещение См в рамках страницы. При выполнении КСК
с КАД=1 ПВВ использует содержимое АД для обращения к списку
слов косвенной адресации. Первое слово данных будет записано по
88
адресу Abi+Cm; каждое последующее — по следующему по порядку
адресу. После заполнения первой страницы (нули в разрядах адреса
00—11) ПВВ выберет следующее слово из списка косвенной
адресации и направит слово данных по адресу Авг+См и т.д.
Использование некоторых указателей проиллюстрируем следу¬
ющим фрагментщм программы ПВВ. Пусть требуется ввести данные
с двух 80-колонных перфокарт, при этом с первой (ПК1— полностью,
а со второй ПК2 — только из колонок 13 — 17, и расположить их
в непрерывной области ОП, начиная с адреса Ао. Предположим, что
все подготовительные действия в ПУ выполнены под управлением
11редудущего фрагмента программы. Тогда для данного примера
фрагмент программы ПВВ имеет вид:
1дрес КСК
КОп
Указатели
АД
СчД
ОД
ЦК
пинд
БЗ
ПУП
КА
L
ЧИТАТЬ
0
1
0
0
0
0
Ао
50
L+8
ЧИТАТЬ
1
0
0
1
1
0
X
С
L+10
X
0
0
1
0
0
0
Ао+50
5
Данные в ОП размещаются в непрерывной области. Для задания
адресов использована шестнадцатиричная система; символом «X»
обозначены поля, содержимое которых безразлично. По первому
КСК1, которое в ОП хранилось в ячейке с адресом L, ПВВ получит
из ПУ и передаст в ОП 80 байт информации. Эти байты
располагаются в области, начиная с адреса Ао. Указатель УК-1
показывает, что после обнуления СчД ПВВ получает следующее
КСК2 из ОП. При выполнении его из ПУ поступает 12 байт из
первых колонок ПК2, но в ОП они не передаются (Б3=1); кроме
того, формируется запрос прерывания (ПУП=1), разрешающий ЦП
приступить к обработке первых 80 байт, считанных с ПК1. Затем,
так как указана цепь данных ЦД=1, ПВВ получит КСКЗ из ячейки
L+10 и затем ПУ прочитает и передаст 5 байт данных (колонки
13— 17 ПК2). Сразу же после этого операция завершается, причем,
хотя было прочитано всего 17 байт, сигнал ошибки не вырабатыва¬
йся, так как установлен указатель подавления ПИНД=1.
Состояние СВВ. В ЕС ЭВМ состояние СВВ отражается в слове
состояния канала (ССК), имеющем следующий формат:
Кл[0—3],Ф [5-7],АКСКт[8-31 ],Ф [32-39],Ф [40-47],СчДт[48-63].
ССК позволяет программе ЦП узнать состояние ПУ или условия,
пРи которых прекращена операция обмена, а также служит для
с°хранения информации, необходимой для возобновления прерванной
0перации. ССК передается в специально отведенную ячейку ОП и
89
сохраняется в ней до следующего прерывания от ПВВ или следующей
команды инициирования обмена. В поле Кл [0-3] КСК помещается
ключ защиты памяти, используемый при данной операции. Поле ф
[5-7 ] служит для регистрации условий, возникающих при выполнении
операции, инициируемой SIOF. Поле АКСК[8-31] служит для
сохранения адреса КСК с тем, чтобы после устранения условий,
вызвавших прекращение операции обмена, ее можно было про-
должить. Для этой же цели сохраняется значение текущего счетчика
СчДт [48-63]. При этом восстановление значения текущего адреса
выполняется следующим образом:
АДт = АДо + СчДо—СчДт,
а значения АДо и СчДо выбираются из «текущего» КСК, хранящегося
в ОП по адресу АКСКт. Поля Фпу [32-39] и Ф [39-47] определяют
условия в ПУ и ПВВ, вызвавшие запоминание ССК (при
инициировании или завершении операции обмена). Поле признаков
состояния ПУ, т.е. Ф [32-39], заполняется байтом состояния ПУ,
поступающим через интерфейс непосредственно в ПВВ. Значения
разрядов этих полей определяются следующим образом:
ВНИМАНИЕ (32) — вырабатывается в ПУ при возникновении
каких-либо асинхронных условий (например, нажата клавиша на
пульте управления ПУ), требующих внимания со стороны программы;
МОДИФИКАТОР (33) — характеризует выполнение в ПУ опре¬
деленных логических условий, например, завершения поиска инфор¬
мации во ВЗУ; используется для организации условных переходов в
программе ПВВ;
КОНЕЦ РАБОТЫ КОНТРОЛЛЕРА (34) — контроллер ста¬
новится доступным для использования в другой операции (если он
используется совместное несколькими ПУ);
ЗАНЯТО (35) — контроллер и ПУ не завершили предыдущую
операцию;
КОНЕЦ РАБОТЫ КАНАЛА (36) — ПВВ завершил ту часть
операции обмена, которая непосредственно связана с передачей
данных между ПУ и ОП;
КОНЕЦ РАБОТЫ ПУ (37) — вырабатывается в ПУ при переводе
его оператором вручную в состояние готовности; кроме того, это
условие вырабатывается одновременно с условием конца работы КВ В;
СБОЙ В УСТРОЙСТВЕ (38) — обнаружено нарушение нормаль¬
ной работы контроллера или ПУ; подробную информацию о
возникших условиях можно получить при уточнении состояния;
ОСОБЫЙ СЛУЧАЙ (39) — в ПУ обнаружено условие типа конца
бумаги в ПчУ, пустого кармана в УВв с ПК, маркера конца МЛ в
НМЛ и т.п.
Условия, характеризующие состояние ПВВ, регистрируются в
поле Ф [40-47] ССК: ПРОГРАММНО-УПРАВЛЯЕМОЕ ПРЕРЫВА-
90
НИЕ (40) устанавливается при получении КСК с указателем ПУП;
НЕПРАВИЛЬНАЯ ДЛИНА (41) — устанавливается при обнаружении
несовпадения числа байт в области памяти для данной операции с
числом байт для ПУ; ОШИБКА В ПРОГРАММЕ (42) — вырабаты¬
вается при обнаружении недопустимого кода операции КСК,
неправильной спецификации адреса, недопустимом адресе и т.п.;
НАРУШЕНИЕ ЗАЩИТЫ (43) — вырабатывается при попытках ПВВ
обратиться в защищенную область ОП; ОШИБКА В ДАННЫХ В
КВВ (44) — устанавливается при обнаружении ошибки по четности
в передаваемых данных; СБОЙ УПРАВЛЕНИЯ КВВ (45) — уста¬
навливается при обнаружении схемами контроля сбоя в аппаратуре
ПВВ; СБОЙ УПРАВЛЕНИЯ ИНТЕРФЕЙСА (46) — устанавливается
при нарушении последовательности сигналов в интерфейсе ввода-вы¬
вода, обнаружении ошибки по четности в управляющей информации
или неправильной длительности сигналов; ОШИБКА В ЦЕПОЧКЕ
(47) — возникает в том случае, когда ПВВ не успевает обрабатывать
данные при наличии указателя ЦК в КСК.
Для получения более полной информации о состоянии ПУ ПВВ
может выдать приказ «уточнить состояние», по которому ПУ передает
байты уточненного состояния. Число передаваемых байт уточненного
состояния и значения разрядов зависят от сложности и типа ПУ,
однако начальный байт уточненного состояния ПУ содержит несколь¬
ко указателей, общих для всех ПУ: КОМАНДА ОТВЕРГНУТА
(0) — ПУ не может выполнить приказ, так как он недопустим для
данного ПУ, нарушена необходимая последовательность приказов и
т.д.; ТРЕБУЕТСЯ ВМЕШАТЕЛЬСТВО (1) —для продолжения рабо¬
ты необходимо вмешательство оператора (отсутствует бумага в ПчУ,
пустой подающий карман в УВв); ОШИБКА НА ШИН-К (2) — ПУ
обнаружило ошибку по четности в принятом через интерфейс байте;
СБОЙ В ОБОРУДОВАНИИ (3) — схемами контроля обнаружен сбой
в схемах управления контроллера или ПУ; ОШИБКА В ДАННЫХ
(4) — обнаружена ошибка при считывании данных с носителя;
ПЕРЕПОЛНЕНИЕ (5) — ПВВ не успел обслужить ПУ и произошла
потеря информации. Обработка битов уточненного состояния ПУ
производится индивидуально системными программами ЦП.
Действия, предпринимаемые в результате обработки указателей
основного состояния ПУ и ПВВ, зависят как от выполняемой
операции, так и от значения указателей КСК. В частности,
использование указателя МОДИФИКАТОР видно из примера фраг-
мента программы ПВВ, предназначенного для поиска блока инфор-
м*ции на МД по ключу (подробнее см.раздел 8.4).
Ключ состоит из N байт, которые последовательно сравниваются
с байтами, считываемыми из поля ключа каждого блока. При их
с°впадении контроллер ПУ передает в ПВВ байт состояния с
Указанием признака МОДИФИКАТОР. Команда «Поиск по ключу»
91
является модификацией команды управления для НМД, в ее поле
адреса указан начальный адрес Ао области ОП, где хранится ключ;
длина ключа N указана в поле счетчика. По первому КСК
содержимое области ключа из ОП последовательно передается в ПУ,
где сравнивается с байтами ключа, прочитанного устройством из
очередного блока на носителе. Если совпадение ключей не обнару¬
жено, то наличие указателя ЦК=1 позволяет ПВВ перейти к
выполнению следующего КСК.
Адрес КСК
КОп
Указатели
АД
СчД
ид
ЦК
ПИНД
БЗ
ПУП
КА
L
Поиск по ключу
0
1
1
0
0
0
Ао
N
L+8
L+ 10
Переход в канале
0
1
0
0
0
0
L
X
Следующим КСК является переход в канале, содержимое поле
адреса АД которого ПВВ использует в качестве адреса очередного
КСК. В данном случае это соответствует возврату к выполнению
КСК1; таким образом, участок программы, состоящей из КСК1 и
КСК2 последовательно выполняется для всех блоков на дорожке
НМД до тех пор, пока не выявится совпадение ключей. При
совпадении ключей во время выполнения КСК1 ПУ передает в ПВВ
байт состояния с указанием признака «модификатор». ПВВ завершает
выполнение КСК1 и переходит к выполнению КСК2, однако при
наличии в ПВВ признака «модификатор» эта команда выполняется
иначе, а именно: ПВВ игнорирует содержимое поля АД и сразу же
переходит к выполнению КСКЗ, которая хранится в ячейке ОП с
адресом L+10. Этой командой может быть любая, связанная с
передачей данных между ОП и ПУ.
Структура каналов ввода-вывода ЕС ЭВМ. С точки зрения
режима выполнения программ обслуживания периферийных устройств
КВВ, как отмечалось выше, подразделяются на селекторные (СК),
байт-мультиплексные (МК) и блок-мультиплексные (БлМК).
В СК может выполняться лишь одна программа, т.е. СК
обслуживает монопольно одно ПУ, хотя физически через интерфейс
ввода-вывода к нему может подключаться несколько ПУ.
Мультиплексный канал способен выполнять несколько программ в
режиме разделения времени, называемом мультиплексным. В
мультиплексном режиме МК может принять к исполнению несколько
команд инициирования обмена, которые приводят к началу выпол¬
нения операций в разных ПУ; для этого в МК предусматривают
несколько подканалов.
Подканалом называют средства, необходимые для выполнения
операции обмена по обслуживанию одного ПУ. Подканал представляет
92
собой участок так называемой мультиплексной памяти КВВ, в
котором сохраняются адреса, значение счетчика, различная инфор¬
мация о состоянии и управляющая информация, относящаяся к
данной операции. Число таких участков, т.е. подканалов, определяет
максимальное число параллельно выполняемых операций обмена в
одном МК. Очевидно, что другим ограничивающим фактором является
пропускная способность КВВ. Мультиплексная память обычно
реализуется в виде специального ОЗУ в КВВ, но в мало¬
производительных машинах для нее можно использовать выделенную
область ОП. Параллельное обслуживание нескольких ПУ основыва¬
ется на том, что пропускная способность КВВ значительно превос¬
ходит быстродействие каждого отдельного ПУ, поэтому МК в
мультиплексном режиме служат для обслуживания медленных ПУ.
БлМК имеет несколько подканалов, но требует передачи каждого
блока данных между ОП и ПУ в монопольном режиме, т.е. передача
блока данных от ПУ не может прерываться для обслуживания других
ПУ. Мультиплексирование разрешается только между блоками в том
случае, если установлен указатель цепи команд (ЦК=1). БлМК
предназначен для обслуживания быстрых ПУ с блочной организацией
данных, например, ВЗУ на МД. Передача данных для таких ВЗУ
выполняется с высокой скоростью, однако поиск нужного блока
требует больших затрат времени, в течение которого КВВ может
обслуживать другие ПУ.
Селекторный канал имеет один подканал и всегда
работает в монопольном режиме. В состав СК входит ряд регистров,
АЛУ, схемы управления. Регистры служат для приема управляющей
информации, формирования информации о состоянии, преобразования
форматов и т.д. Упрощенная структура СК приведена на рис. 3.3.
Операция в нем инициируется командой ввода-вывода ЦП. Получив
команду ввода-вывода на РгК, СК передает адрес ПУ в БУИ и
запрашивает АСК из ОП. В результате последовательности начальной
выборки в интерфейсе СК получает байт состояния от ПУ и заносит
его на РгССК; СК передает ССК в ОП и в случае доступного
состояния СВВ запрашивает КСК1, получает его на РгКСК и
приступает к выполнению программы. Буферные регистры команд и
Данных БуфРгКСК и БуфРгД позволяют увеличить допустимое время
ожидания при обращениях СК к ОЗУ, занятого другими устройствами
(ЦП или каналами). В АЛУ СК производится определение адресов
следующего КСК, осуществляется контроль данных и т.п. После
завершения операции, т.е. получения от ПУ байта состояния с
Указанием признака «ПУ КОНЧИЛО», СК формирует ССК и
Передает сигнал прерывания в ЦП.
Пропускная способность СК определяется согласно (1.5) следу¬
ющим образом:
93
.Li L 1...
/?// о шдз
х/яд 2d
*9 2d
5c
t3
53
I
№d ФПд
т
мооч
1^
i-o
**>
I ^
53%
«*
•n:
§
_i.
V*d
V*d
|S S
I Cc C3
!?_
r_”4irirTi"
Рис. 3.3
так как при обработке байтов данных от ПУ вся управляющая
информация находится в регистрах СК. При организации непосред¬
ственного обращения к ОП со стороны СК затраты времени т 2 на
передачу слова между СК и ОП равны длительности цикла ОП, т.е.
т/ _ Won
ск т, + Топ ■
СК обычно присваивают наивысший приоритет, так как он
обслуживает быстродействующие ПУ, поэтому в обслуживании из-за
занятости ОП не превышают Топ и эффективная пропускная
способность СК (с наивысшим приоритетом) не опускается ниже
v ^ Won
Ускз ^ — Т трг *
Т\ -г LI ОП
Затраты времени ЦП на передачу одного байта посредством СК
с непосредственным обращением к ОП составляют
ф . Тя + То Q -
?цп — рТц + — , (3.2)
где р — вероятность одновременного обращения к одному модулю
ОЗУ со стороны ЦП и СК; Тц — средняя длительность приостановок
ЦП; тя — время на работу программ ПД и ПМ и ожидание СКК
при инициировании операции (накладные расходы); то — время на
обработку прерывания после завершения операции; m — общее число
байт, переданных через СК под управлением всех КСК для одной
операции.
При косвенном обращении к ОП приостановки ЦП происходят
при каждой передаче слова между ОП и СК, поэтому
Тц Тн + То ~ о
Тцп — ~ . {6.5)
Won m
Байт-мультиплексный канал (МК) содержит не¬
сколько подканалов и обслуживает одновременно несколько ПУ.
Основное оборудование, или главный канал, используется для
поочередного обслуживания ПУ на основе разделения времени (рис.
3»4), для сохранения управляющей информации служит мультиплек¬
сная память. В состав главного канала (ГК) входят узлы регистров
(узел Рг), сопряжения с ОП, сопряжения с ЦП, АЛУ, блок
Управления каналом (БУК), блок управления интерфейсом (БУИ),
а также специальный регистр номера текущего ПУ («активного
ПоДканала») и связи с мультиплексной памятью (МЗУ). Узел регистра
номера ПУ и связи с МЗУ позволяет загружать и освобождать
Регистры главного канала необходимой информацией для управления
0тДельным ПУ. Функции остальных узлов аналогичны функциям
95
узлов в СК. Каждое ПУ обслуживается своей канальной программой,
инициирование которой производится по команде ввода-вывода от
ЦП аналогично инициированию операции в СК. Однако после
получения от ПУ байта состояния и запуска его в работу ПУ
отключается от МК, а вся управляющая информация из регистров
главного канала переписывается в соответствующий подканал, т.е.
участок мультиплексной памяти. Адрес этого участка ПЮ однозначно
определяется номером ПУ (i) в интерфейсе. После чего МК становится
доступным для операций ввода-вывода с другими ПУ. Если
какое-либо ПУ подготовит байт данных, то прежде чем передать его
в канал, оно должно сообщить МК свой номер. Главный канал МК,
получив номер ПУ от БУИ, заносит его в Рг номера ПУ и находит
соответствующий подканал. Информация из найденного ПК загру¬
жается на регистры ГК, после чего блок управления каналом
формирует сигнал в БУИ, разрешающий передать или получить от
ПУ очередной байт данных.
Главный канал принимает байт данных, выполняет необходимые
действия по его обработке — проверяет его правильность, модифици¬
рует управляющую информацию, передает слово данных в ОП, если
закончено его формирование, и содержимое регистров ГК вновь
запоминает в том же подканале. Таким образом, МК за один цикл
обслуживания ПУ обрабатывает один байт; обращения в МЗУ для
получения и сохранения управляющей информации при передаче
96
каждого байта данных существенно снижают пропускную способность.
В МК может быть реализован и монопольный режим, однако при
этом КВВ способен обслуживать только одно ПУ. Режим работы МК
определяется содержимым одного из разрядов регистра управления и
обязательно должен сообщаться ПУ. В последних моделях ЕС ЭВМ
по существу объединяют несколько КВВ, называемых автономными
подканалами (АПК). Каждый АПК имеет собственный интерфейс
ввода-вывода, к которому подключено одно (неразделенный подканал)
или несколько (разделенный) ПУ. При этом АПК могут быть
селекторными (для ПУ среднего быстродействия) и мультиплексными
(для медленных ПУ). Каждый АПК выполняет функции по
управлению интерфейсом, приему-передаче и буферизации данных
от ПУ, связи с оборудованием ГК.
В МК при обработке каждого байта производится два обращения
к МЗУ, где находится текущая управляющая информация, исполь¬
зуемая в начатой операции обмена. Кроме того, работа МК
организована таким образом, что каждое слово данных должно быть
передано между ОП и МК в течение одного интервала подготовки
инфмации в ПУ, т.е.
^ = г, + гг + г, • <3'4’
где гг — интервал, равный Тц при непосредственном и равный Тцп
при косвенном обращении к ОП;
'iWynp ТМЗУ
Тз ’
где WyUp — объем управляющей информации; ТМзу — длительность ее
цикла МЗУ; У/мзу — ширина выборки мультиплексной памяти.
Нагрузочная способность МК определяется при условии одинаковых
характеристик ПУ из (1.6):
гр ^ ( . . 2 Wynp ТмЗУV ,7
Тпу > (Т1 + Т2 + 777 ) N .
W мзу
При оценке влияния МК на работу ЦП следует учитывать
задержки на инициирование и завершение каждой операции обмена,
а также на приостановки ЦП при обращении МК в ОП. Учет этих
факторов позволяет получить следующее выражение для задержки
ЦП при обработке каждого байта в ПУ:
_ Топ (т„ + то) N
ТиП ~ Ш + 2 т‘ ’
где дг — число работающих ПУ; т, — число байт от i-ro ПУ,
Предаваемых за одну операцию обмена.
Блок-мультиплексный канал также имеет несколь-
Ко подканалов, однако в отличие от МК, восстановление и сохранение
с°Держимого регистров ГК производится лишь дважды — в начале и
4-83б 97
конце передачи блока. В БлМК предусматриваются различные
средства буферизации для повышения пропускной способности.
Каждое сформированное в нем слово данных немедленно передается
в ОП, как только ОП освобождается. Перед началом передачи блока
данных ПУ сообщает в БлМК байт своего адреса', который служит
для выбора соответствующего подканала и восстановления управля¬
ющей информации в регистрах ГК, необходимой для обслуживания
данного ПУ. В БлМК может быть организован как блок-мультиплек-
сный, так и монопольный режимы. Он позволяет сократить число
прерываний ЦП по сравнению с СК и тем самым повысить
производительность ЭВМ. В состав БлМК входят узлы, по назначению
аналогичные узлам МК, однако реализация их существенно отлича¬
ется, так как они должны обеспечить высокую пропускную
способность БлМК. Так, узел управления интерфейсом имеет
регистры-формирователи, позволяющие принимать из интерфейса
ввода-вывода или передавать в него одновременно 2 байта данных;
схемы выработки управляющих сигналов рассчитываются на работу
с расширенным интерфейсом и включают в себя ряд дополнительных
компонентов. Узел регистров ГК содержит дополнительные буферные
регистры данных и КСК, что позволяет увеличить допустимое
ожидание обслуживания со стороны ОП. Это особенно важно при
наличии цепи данных или команд. К БлМК подключаются ВЗУ с
прямым доступом, в частности НМД.
3.3. Логическая организация СВВ в мини- и микроЭВМ
В мини- и микроЭВМ встречается программная организация как
со специальными командами ввода-вывода (изолированный ввод-вы¬
вод), так и без них (ввод-вывод, отображенный на память). В СВВ
со специальными командами ввод а-вывод, а вся
управляющая информация посредством этих команд передается
компонентам, участвующим в операции ввода-вывода. Управляющая
информация включает в себя адрес ПУ и контроллера, адрес текущей
ячейки ОП или описание области ОП, приказ ПУ, режим и
направление обмена и т.д. При наличии специальных команд
ввода-вывода в объединенном интерфейсе обязательно предусматрива¬
ются специальные линии, сигналы на которых формируются в
результате дешифрации кода операции команды и информируют все
устройства о выполняемой операции. Система команд включает такие
команды, как «ввод», «вывод», «передача приказа», «чтение состо¬
яния» и т.п. Адресные пространства памяти и ПУ различны, т.е.
коды их адресов могут совпадать, так как обращение к ним
производится командами с различающимися кодами операций.
Передача информации осуществляется обычно между регистрами ЦП
и ПУ.
98
Более распространенной является программная организация СВВ
без специальных команд ввода-вывода в систе¬
ме команд. При такой организации каждое ПУ для СВВ представляет
собой совокупность адресуемых регистров. Адреса этих регистров и
ячеек ОГ1 образуют общее адресное пространство, что позволяет для
обращения к регистрам ПУ использовать команды пересылок в
память. Коды операции в командах обращения к ПУ и ОП одинаковы;
команды, таким образом, отличаются только содержимым полей
адреса. Совокупность адресов регистров ПУ образуют область адресов
ПУ в адресном пространстве, а совокупность адресов ячеек ОП —
область адресов памяти. Эти области не пересекаются. Каждое ПУ
(или его контроллер) имеет не менее двух регистров, но для сложных
ПУ их может быть больше. Регистр с наименьшим адресом Ао обычно
используют в качестве регистра команд (приказов) и состояния
(РгКС); адрес Ао этого регистра приписывается ПУ в качестве его
номера. Адрес следующего регистра А1 определяется путем добав¬
ления единицы: А1=Ао+1 (при двухбайтовом РгКС А1 = Ао +
+2). Регистр со старшим адресом используют в качестве регистра
данных (РгД). Остальные регистры являются управляющими.
При выполнении операции ввода-вывода необходимо строго
соблюдать последовательность загрузки регистров управляющей
информацией и данными, а также обрабатывать информацию о
состоянии устройства. Очевидно, что последовательность загрузки
регистров, характер управляющей информации и информации о
состоянии ПУ, а также алгоритмы ее обработки зависят от специфики
ПУ. Программирование операций ввода-вывода вызвало бы
значительные трудности, поэтому операционные системы миниЭВМ
и большинства микроЭВМ позволяют заменить непосредственное
программирование обращением к специальным управляющим прог¬
раммам. Этим достигается независимость программирования задач
пользователя от специфики ПУ. Непосредственное управление ПУ
осуществляется с помощью программы-драйвера и называется
обслуживанием на физическом уровне. Каждое ПУ имеет собственное
физическое имя, однозначно определяющее его адрес и управляется
собственным драйвером (рис. 3.5). Программа пользователя (ПП)
обычно использует логические имена. Соответствие логических и
физических имен устанавливается системной таблицей (СТ), которая
создается при генерации системы или автоматически при регистрации
задачи пользователя. Для настройки драйвера ПУ на конкретную
°перацию в процессе ассемблирования для каждого файла создается
блок управления данными (БУД); основой для его создания служат
параметры операторов работы с файлами. При необходимости
°существить операцию ввода-вывода ПП обращается к монитору
<ПМ), который анализирует возможность выполнения этой операции,
т»с. проверяет наличие соответствующего БУД, и ставит запрос в
99
Логический
уровень
Физический
уровень
Аппаратура
СВВ
Рис. 3.5
очередь. Помимо этого ПМ выполняет функции защиты файлов при
мультипрограммном режиме, защиты доступа к ПУ и ряд других.
БУД, СТ и ПМ образуют логический уровень управления.
Непосредственная связь программ с ПУ осуществляется через
драйверы, на которые возлагают следующие функции:
— определение параметров, т.е. определение адресов регистров
и векторов прерываний ПУ в адресном пространстве, назначение
отдельных битов в РКС и т.п.;
— инициирование ввода-вывода, при котором проверяется готов¬
ность контроллера и ПУ, формируется управляющая информация
для ПУ, определяются действия при обнаружении ошибок; после
инициирования ввода-вывода драйвер возвращает управление ПМ;
— обработка прерываний, в процессе которой выявляются
причины прерывания, определяется состояние ПУ;
— обработка ошибок, в результате которой определяется целе¬
сообразность повторения попытки выполнить операцию;
— завершение операции, при котором драйвер передает управ¬
ление ПМ с указанием на успешное или неуспешное окончание
операции.
Способы организации обмена в мини- и микроЭВМ. Существует
три способа: программный несовмещенный ввод-вывод, программный
100
Начало Начало
Рис. 3.6 Рис. 3.7
ввод-вывод с прерыванием программы, ввод-вывод через канал
прямого доступа к памяти.
Программный несовмещенный вво д-в ы в о д ха¬
рактеризуется тем, что обращение к ПУ осуществляется только в
моменты времени, определяемые программой ЦП. Этот способ
характерен лишь для простейших микроЭВМ с минимальным числом
простых ПУ. Часто все действия по управлению обменом реализуются
командами ПП (рис.3.6). Такой способ достаточно эффективен только
Для ПУ, готовых к операции в любой момент времени, например,
Для цифрового индикатора. Если ПУ не может принимать или
передавать данные в произвольный момент времени, то при
несовмещенном вводе-выводе необходимая синхронизация ЦП и ПУ
Достигается организацией программного ожидания момента готовности
ПУ. С этой целью в РгКС один из разрядов указывает на готовность
или занятость ПУ. Участок, обведенный штриховой линией, со¬
держится непосредственно в ПП либо выделяется в простейший
Драйвер, к которому обращается и от которого вновь получает
Управление ПП. Команда обращения к РгКС позволяет получить и
затем проанализировать состояние ПУ. Если ПУ не готово, то
организуется ожидание путем повторения команды чтения РгКС.
^сли содержимое РгКС свидетельствует о готовности ПУ, то
Производится чтение содержимого РгД и одновременно сбрасывается
Признак готовности в РгКС. Затем осуществляется возврат управления
101
ПП. Установку признака готовности в РгКС производит ПУ
синхронно по отношению к процессам, протекающим в ЦП. Этим
достигается синхронизация ПУ и ЦП.
Операция вывода реализуется аналогично — вначале анализи¬
руется готовность ПУ принять данные (по значению признака в
РгКС), а затем по команде записи данные передаются в РгД;
одновременно с записью данных в РгД производится сброс признака
готовности в РгКС. Признак готовности вновь устанавливается ПУ,
как только оно будет готово принять очередной квант данных.
Процесс ожидания, необходимый для синхронизации ЦП и ПУ,
ухудшает производительность микроЭВМ.
Программный ввод-вывод с прерываниями
программы является основным способом организации ввода-вы¬
вода в мини- и микроЭВМ для ПУ малого и среднего быстродействия.
Для синхронизации процессов в ЦП и ПУ используется механизм
прерываний, а управление передачами данных и управляющей
информации для ПУ осуществляется программно. Данные передаются
между регистрами ПУ и ЦП; пересылку данных в ОП осуществляет
ЦП по адресу, который он определил при выполнении программы
драйвера. После выполнения каждой команды в ЦП (рис. 3.7)
производится анализ запроса прерываний, а при его наличии
проверяется — разрешено ли данное прерывание. При наличии
разрешенного прерывания ЦП инициирует его обслуживание.
Маскирование прерываний позволяет защищать от прерываний так называемые
критические секции программы пользователя, т.е. такие участки программы, на выполнение
которых не должно оказывать влияние изменение содержимого памяти, вызываемое процес¬
сом ввода.
Запрос прерывания может формироваться не только ПУ, но и
по специальной команде ЦП. Все запросы прерываний обрабатыва¬
ются последовательно в соответствии с приоритетами. При
инициировании обработки прерываний вначале определяется источник
запроса; если источником запроса прерываний является ПУ, то
управление передается соответствующему драйверу.
Существует несколько способов определения, от какого ПУ
поступил запрос на прерывание; эти способы сводятся к различным
вариантам аппаратного и программного опроса ПУ. В результате
такого опроса программе обработки прерываний становится доступным
адрес ПУ, по которому вычисляется начальный адрес программы-'
драйвера; ей и передается управление. С этой целью в большинстве
16-разрядных микроЭВМ для каждого ПУ в основной памяти
предусматривается по две ячейки, хранящие векторы прерываний.
Совокупность этих ячеек для всех ПУ образует область «векторов».
Адрес первой из этих ячеек однозначно определяется адресом ПУ>
и в ней хранится адрес перехода к программе-драйверу для
102
обслуживания данного ПУ. Вторая ячейка, адрес которой на единицу
больше, служит для сохранения состояния программы и возврата к
программе обслуживания прерываний. При программном вводе-выводе
каждое прерывание позволяет передать между ОП и ПУ один байт
пли одно слово данных. Параллельная работа ЦП и ПУ происходит
только в интервале между прерываниями. Обработка прерываний
приводит к большим непроизводительным затратам времени ЦП, что
не позволяет использовать такую организацию ввода-вывода для
быстрых ПУ.
Программный ввод-вывод с прерываниями программы можно
рассматривать как своеобразный мультиплексный канал, в котором
функции главного канала реализуются аппаратными средствами ЦП.
Пропускную способность Vn такого «программного КВВ» можно
оценить по формуле (1.5), где т\ — задержки на передачу сигналов
по линиям Ио; т2 — затраты времени на передачу байта данных
между ЦП и ОП; гз — затраты на обработку прерывания ТПрер и
реализацию программы драйвера ТДР. Затраты т3 существенно пре¬
вышают т2 и Ti , поэтому приближенно можно считать, что
vn ** ~• (3-6)
ПРЕР Т 1ДР
Нагрузочная способность такого КВВ ориентировочно оценива¬
ется из условия (1.6), т.е.
Т„у> N (Тпрер + Тдр).
Поскольку все операции по пересылке данных между ПУ и ОП
управляются программно, то затраты времени ЦП на пересылку
каждого байта составляют
тцп = ТПРЕр + ТДР 4- ^ , (3.7)
где тя и т0 — время выполнения программ ОС по настройке и
освобождению драйвера ПУ; m — число байт данных, поступающих
от ПУ за одну операцию обмена.
При значительном числе одновременно работающих ПУ эф¬
фективная производительность ЦП резко падает.
Ввод-вывод через канал прямого доступа
в память используется для быстродействующих ПУ при передаче
Данных между ОП и ПУ блоками; это позволяет значительно
сократить число прерываний. ПУ, в частности ВЗУ, подключается к
°бъединенному интерфейсу через контроллер прямого доступа в
память (КПДЦ). Основные функции КПДП заключаются в выработке
текущего адреса ОП в процессе обмена, а также в управлении
ПеРедачами через интерфейс, проверке правильности передаваемых
Данных и определении момента завершения передачи блока. Прямой
Доступ в память рассмотрен достаточно подробно в гл. 1. Здесь же
юз
отметим только, что для работы КПДП должна быть выполнена
программа-драйвер, в результате которой загружаются регистры
управления, регистр адреса (РгА) и счетчик данных (СчД) КПДП.
Выполнение этой программы инициируется по прерыванию. После
начальной загрузки регистров ПУ выполняет автономную подготовку
данных; по завершении подготовки формируется сигнал запроса
прямого доступа, которому присвоен наивысший приоритет, в
результате управление интерфейсом передается КПДП. Обработка
завершения операции осуществляется программным путем, для чего
формируется соответствующий запрос прерывания и управление
передается драйверу. Таким образом, КПДП управляет только
непосредственной передачей данных через интерфейс между ПУ и
ОП, все действия по инициированию и завершению операции
ввода-вывода управляются программным путем.
Канал прямого доступа в память после предварительной
программной настройки, на которую уходит (Тпрер + Тдр), подобен
своеобразному селекторному каналу, в котором однако невозможны
цепочки данных и команд. Пропускная способность такого канала
согласно (1.5):
где Топ — время, затрачиваемое на передачу сигналов через
объединенный интерфейс; Тц — длительность цикла памяти.
Затраты времени ЦП при работе КПДП составляют
Сравнивая эти затраты с затратами при программном вводе-вы¬
воде, см. (3.7), можно оценить, при какой минимальной длине m
блока целесообразен КПДП.
При параллельной работе ЦП и КПДП косвенно влияют друг
на друга. Пусть в ВС имеется один ЦП и один работающий КПДП.
Интервал поступления байтов данных от ПУ через канал ПДП
составляет Тпу, а передача каждого байта в ОП занимает (Топ+Тц).
Таким образом, ЦП для обращения в ОП предоставляются «окна»
длительностью Тпу—(Топ+Тц), Чтобы ЦП успевал обратиться к
памяти за этот интервал времени, необходимо выполнение условия:
Если условие (3.10) нарушается, что обычно и происходит при
работе быстрых ВЗУ, например, НМД, то КПДП блокирует работу
ЦП на все время выполнения операции ввода-вывода. Чтобы избежать
104
+ (Топ + Тц)
(3.9)
Тпу — (Топ + Тц)>Топ + Тц,
т.е. Тпу>2(Топ + Тц).
(3.10)
потерь инфомации в этом случае, КПДП удерживает сигнал занятости
объединенного интерфейса до конца операции, не позволяя другим
устройствам осуществить передачу данных.
Контроллеры ввода-вывода. В реальных ЭВМ подключение ПУ
к системному интерфейсу осуществляется не непосредственно, а с
помощью специального контроллера, как показано на рис.3.5. Такой
контроллер ввода-вывода осуществляет функции преобразования
последовательности сигналов системного и малого интерфейсов и за
счет стандартизации малых интерфейсов позволяет использовать одни
и те же ПУ в различных моделях микроЭВМ. Конечно, для
подключения ПУ к конкретной машине необходим специальный
контроллер. Предположим, что ПУ обладает «выходом» на малый
интерфейс ИРПР, тогда для подключения этого ПУ к ЭВМ СМ-4
необходим контроллер, преобразующий сигналы ОШ в сигналы ИРПР
(ОШ-ИРПР); для подключения его к микроЭВМ «Электроника-60»
необходим контроллер МПИ-ИРПР и т.д. Необходимые регистры ПУ
физически располагаются в контроллерах. При подключении к одному
контроллеру нескольких ПУ обслуживание производится поочередно,
и на контроллер возлагаются дополнительные функции по
мультиплексированию.
На рис.3.8 приведена структурная схема контроллера, где регистр
команды (РгК) служит для приема по шине данных интерфейса Ио
управляющей информации для ПУ; регистр состояния РгС—для
получения информации о состоянии ПУ и передачи ее в ЦП через
шину данных системного интерфейса; селектор адреса (СА)—для
выбора адресуемого регистра. Адресуемым регистрам присваиваются
последовательные адреса из области адресов ПУ адресного простран¬
ства, поэтому адрес любого регистра представляется в виде базового
адреса контроллера (старшие разряды адреса) и смещения (младшие
разряды). Физически базовый адрес в контроллере устанавливается
Системный интерфейс И0
Малый интерфейс
Рис. 3.8
105
Системный интерфейс
Рис. 3.9
с помощью перемычек. При передаче адреса по системному
интерфейсу в каждом контроллере сравниваются старшие разряды
передаваемого адреса с собственным базовым адресом. Совпадение
адресов означает, что обращение производится к данному контрол¬
леру. Для приема и передачи данных через интерфейс Ио служат
регистры ввода РгД(Вв) и вывода РгД(Выв). На контроллер
возлагаются также функции по преобразованию параллельного
представления информации в последовательное и обратно, если малый
интерфейс является последовательным, контролю передаваемой
информации, управлению скоростью передачи при подключении ПУ
через стык С2 и т.д. Все эти преобразования осуществляются с
помощью регистров РгД(Вв) и РгД(Выв) и дополнительных схем
управления. В состав схем контроллера входят также усилители
приемники (ПРМ) и передатчики (ПРД).
В случае, если контроллер предназначен для организации
прямого доступа в память, его структура значительно усложняется
(рис. 3.9). При этом в его состав входит несколько регистров
управления, в частности регистры команд (РгК), состояния ПУ (РгС),
счета слов или длины блока (СчД), текущего адреса ОП (РгА),
управления поиском (в случае НМД). Кроме того, такой контроллер
включает в себя один или два регистра данных — для ввода-вывода.
Всем перечисленным регистрам присвоены адреса в адресном
пространстве, поэтому каждому ПУ соответствует последовательность
адресов, число которых равно числу адресуемых регистров в нем.
106
ISYN | SYN | SYN 1 Информационная часть j
Начало Коней,
I
\ЩД
РгД (Вы В)
РгД (Вв)
Генератор
SYN
РгСдв
мВыход
п
Ж
РгС
Детектор
SYN
ТСИ
ША
ШУ
Ргк
ВУ
Теи
СА
ZE
Вход
Рис. 3.11
Контроллеры прямого доступа имеют до 10 адресуемых регистров.
Блок управления контроллера выполняет функции управления
загрузкой регистров в начале операции, контролирует состояние ПУ
и управляет завершением операции. Управление выработкой текущих
адресов и управляющих сигналов возложено на блок управления
ПДП. Помимо перечисленных функций, выполняемых любым конт¬
роллером, контроллер прямого доступа в память формирует сигналы
управления системного интерфейса при передаче данных между
контроллером и ОП. Функции контроллеров по непосредственному
управлению ПУ будут перечислены далее при рассмотрении конк¬
ретных ПУ.
В микроЭВМ и микропроцессорных системах адресуемые
регистры данных, команд и состояния с необходимыми схемами
управления называют портами. Соответственно различают порты
ввода (РгДВв), вывода (РгДВыв), управления (РгУ) и состояния
(РгС). Часто эти регистры объединяют в одной микросхеме, на
которую возлагают также функции параллельно-последовательного
преобразования. Такие схемы получили название универсальных
асинхронных (или синхронных) приемопередатчиков УАПП (УСПП)
и показаны на рис.3.10 и 3.11 соответственно.
В УАПП принимаемые по шине данных интерфейса Ио через
РгДВыв данные заносятся на регистр сдвига РгСдв, в котором
параллельный код преобразуется в последовательный. Это преобра-
зование осуществляется посредством сигналов от генератора ГСИЬ
запускаемого после загрузки РгСдв и останавливаемого по завершении
108
преобразования. При асинхронной передаче код передаваемого в
последовательную линию символа обрамляется стартовыми и стопо¬
выми разрядами, служащими для запуска и останова генератора
синхроимпульсов приемника. Генератор ГСИ2 обеспечивает прием
последовательного кода из линии. С помощью РгСдв этот код
преобразуется в параллельный и передается в РгДВв, при этом
устраняются разряды обрамления.
Координация действий в УАПП и машине по обмену символами
осуществляется посредством прерываний с использованием РгК и
Pi'С, как описано выше. Регистр РгК позволяет программно задавать
скорость передачи (110, 300, 600, 1200, 2400, 4800 или 9600 бит/с),
число стоповых бит (1 или 2), способ контроля.
В УСПП синхронизация осуществляется посредством специаль¬
ных символов SYN, которые включаются в передаваемую последо¬
вательность при выводе и детектируются для запуска и подстройки
генераторов синхронизации при вводе. Остальные действия в УСПП
аналогичны УАПП. Для УСПП скорость передачи устанавливается
до 48000 бит/с. Некоторые микропроцессорные комплекты включают
комбинированные синхронно-асинхронные приемопередатчики
(УСАПП).
Контрольные вопросы
1. Какие типы ЭВМ можно выделить с позиций программной организации ввода-выво¬
да?
2. Какую управляющую информацию необходимо задавать компонентам СВВ для
организации обмена?
3. Какие поля имеют КСК ЕС ЭВМ? Как используются флаги?
4. Для каких целей используется ССК? Какие поля оно содержит?
5. Опишите последовательность действий в СК. Чем отличается последовательность
действий в МК?, в БлМК?
6. Какая программная организация ввода-вывода характерна для мини-ЭВМ? Как
адресуются ПУ в общем адресном пространстве?
7. Как определяются адреса ОП при программном вводе-выводе?
8. Какие функции выполняет КПДП?
9. Перечислите состав основных узлов контроллера для программного обмена, для
обмена через КПДП.
Ю.Какие функции выполняет регистр команд и состояния? Как с его помощью ко¬
ординируются действия в ПУ и ЦП?
Логическая организация СВВ в ЭВМ различных классов изложена в [25], более подроб¬
но для ЕС ЭВМ — в [31]. Форматы управляющей информации и работа КВВ для ЕС ЭВМ
описаны в [12,31]. Организация СВВ микроЭВМ описана в [4], а структура программного
обеспечения — в [13]. Схемы некоторых контроллеров и их описания можно найти в
14*18,19,50,53].
4. СИСТЕМА ВВОДА-ВЫВОДА АНАЛОГОВЫХ
СИГНАЛОВ И СВЯЗИ С ОБЪЕКТАМИ УПРАВЛЕНИЯ
В настоящее время 25% — 40% всех микроЭВМ используется в таких областях, где
СВВ аналоговых сигналов и связи с объектами управления являются основными, а подчас
и единственными средствами общения ЭВМ с внешним миром. Эти СВВ позволяют полу¬
чать информацию об аналоговых процессах и параметрах, характеризуемых непрерыв¬
ным изменением величины, например, температуры, давления, механического переме¬
щения, напряжения. Информация о таких параметрах представляется в виде аналоговых
сообщений. Для восприятия сообщения цифровой машиной аналоговое сообщение пре¬
образуется в цифровую форму; такое преобразование выполняется посредством аналого-
цифрового преобразователя (АЦП). Цифровое сообщение от ЭВМ, служащее для управ¬
ления аналоговым объектом, преобразуется в аналоговую форму; это преобразование
осуществляется цифроаналоговым преобразователем (ЦАП).
В системах управления помимо обработки аналоговых сообщений возникает необ¬
ходимость обработки сообщений о состоянии различных переключателей, а также необ¬
ходимость в управлении различными переключателями и реле, включении и выключении
двигателей, отключении питания и т.п. Для этих целей используются устройства, называ¬
емые соответственно устройствами ввода и вывода дискретных сигналов (УВвДС и
УВывДС). УВвДС воспринимают состояние электрических переключателей и представ¬
ляют эти состояния в виде некоторого цифрового кода-сообщения, передаваемого в
машину. УВывДС выполняют обратную задачу, т.е. замыкают или размыкают
электрические переключатели при получении от машин определенных цифровых сооб¬
щений. АЦП, ЦАП и УВВ дискретных сигналов объединяются в различные комбинации
и часто выполняются в виде единого блока, состоящего из одной или нескольких плат.
Такой блок принято называть устройством связи с объектом (УСО). АЦП и ЦАП приме¬
няются не только в качестве самостоятельных ПУ и основных компонентов УСО, но и в
качестве компонентов других ПУ. Этим объясняется то, что рассмотрение АЦП и ЦАП
предшествует рассмотрению других типов ПУ.
4.1. Выбор параметров аналого-цифрового преобразования
Для обеспечения правильности функционирования объектов
управления или хода технологических процессов необходимо, чтобы
характеристики СВВ и ее компонентов соответствовали характеру
изменения параметров процесса, т.е. необходимо выбирать СВВ и ее
компоненты в соответствии с характеристиками управляемых про¬
цессов.
Рассмотрим типичную схему замкнутой системы управления с
использованием ЭВМ, показанную на рис. 4.1. Состояние объекта
110
Рис. 4.1
управления характеризуется множеством параметров (температура,
давление, механическое перемещение и т.п.), изменения которых
имеют непрерывный (аналоговый) характер. Управление объектом
осуществляется совокупностью управляющих воздействий на
исполнительные механизмы, которые также имеют аналоговый
характер. Очевидно, что для того, чтобы использовать ЭВМ для
цифровой обработки состояния объекта и выработки соответствующих
управляющих воздействий, в систему необходимо включить два
компонента АЦП и ЦАП, осуществляющие «эквивалентную» замену
входного аналогового сигнала f(t) множеством числовых значений
{Ai}, а затем множества числовых значений после обработки {Bi} —
некоторым выходным аналоговым сигналом р(t). Замену аналогового
сигнала f(t) множеством числовых значений {Ai} можно считать
эквивалентной в том случае, если сигнал p(t), получаемый при
восстановлении, т.е. при цифроаналоговом преобразовании чисел {Ai}
отличается от входного сигнала f(t) не более, чем на наперед
заданную величину , т.е.
М [f(t)-p(t)]< А , (4.1)
где М — некоторая мера точности, например, максимальное откло¬
нение, среднеквадратичное отклонение и т.п. Дополнительным
Условием, влияющим на выбор параметров преобразования, является
требование минимального объема перерабатываемой информации,
с°Держащейся в множестве чисел {Ai}.
При замене аналогового сигнала f(t) множеством чисел {Ai}
^ожно выделить два процесса — дискретизации и квантования.
Замена сигнала f(t) конечным множеством его мгновенных значений
(ни» называется дискретизацией и иллюстрируется рис.4.2,а. В
Результате дискретизации теряется информация о поведении f(t) на
Интервалах между узлами дискретизации и . Разность между двумя
ill
значениями U — Ui = T называется шагом дискретизации; при пос¬
тоянном шаге Т дискретизацию называют равномерной, в противном
случае — неравномерной. Замена каждого мгновенного значения f(ti)
некоторым числом-отсчетом Ai производится путем измерения
величины f(U), т.е. сравнения ее с квантованными эталонными
значениями, рис.4.2,б; этот процесс называется квантованием. В
процессе измерения также теряется информация о величине f(ti), но
уже в узлах дискретизации, что приводит к появлению ошибки
квантования, которая может достигать величины кванта Акв .
Процессы дискретизации и квантования влияют на меру точности М
и в этом смысле не являются независимыми. Однако в инженерной
практике параметры аналого-цифрового преобразования — шаг
дискретизации Т и величину кванта Акв принято определять
изолированно.
Выбор шага дискретизации. Ограничимся рассмотрением равно¬
мерной дискретизации. Выбранный шаг дискретизации должен
обеспечивать возможность восстановления преобразуемого сигнала f(t)
по его мгновенным значениям {f( U)} с заданной точностью.
Возможность такого восстановления определяется теоремой Ко¬
тельникова, согласно которой любая функция f(t), характеризуемая
конечным спектром [0,Fb], может быть восстановлена с любой
точностью по ее мгновенным значениям f(U)> если эти значения
отстоят друг от друга не более, чем на
<4-2>
Однако на практике воспользоваться этим соотношением бывает
трудно, так как все реальные физические сигналы характеризуются
бесконечным спектром и, следовательно, при их математическом
описании посредством функций с конечным спектром возникает
погрешность, оценить которую достаточно сложно. Кроме того,
соотношение (4.2) предполагает, что восстановление сигнала должно
выполняться в соответствии с разложением в ряд Фурье; реализация
такого восстановления очень трудоемка.
112
Рис. 4.3
При других методах востановления сигнала для выбора шага
дискретизации необходимо пользоваться иными соотношениями.
Рассмотрим пример восстановления аналогового сигнала f(t) по его
мгновенным значениям f(U) интерполяционным полиномом p(t). В
этом случае
f(ti) = p(tiЛ
т.е. значения полинома p(t) совпадают с мгновенными значениями
исходного сигнала в узлах дискретизации. Пусть используется
полином первой степени, а в качестве меры точности М принято
максимальное отклонение f(t) от p(t) на интервале (0,Т)—рис.4.3,я.
Воспользовавшись оценкой остаточного члена в форме Лагранжа,
получим
т 2 I/ (t) I m
6 = I/ (0 - р (О I <
8
//
где Т — шаг дискретизации , a If (t) I max = М2 — максимальное
значение модуля второй производной исходного сигнала.
Величина М определяется физическими ограничениями, накла¬
дываемыми на исходный сигнал со стороны объекта управления и
обычно известна; например, если f(t) характеризует перемещение
объекта, то величина М соответствует максимально допустимому
ускорению, превышение которого может приводить к разрушению
объекта. При правильном выборе шага дискретизации величина
отклонения не должна превышать допустимой величины <3 < A i ,
где — А ! доля погрешности дискретизации от общей погрешности
А , возникающей при «эквивалентной» замене аналогового сигнала
числовыми отсчетами, откуда
Т <
8 Д1
Мг
(4.3)
При восстановлении исходного сигнала f(t) полиномом нулевой
^епени (рис.4.3,6) аналогичные рассуждения позволяют получить
из
где Mi = I f (t) I max—максимальное значение модуля первой
производной f(t).
Уменьшение шага дискретизации Т независимо от способа
восстановления сигнала приводит к уменьшению погрешности
дискретизации, однако при этом возрастает объем перерабатываемой
машиной информации. При работе ЭВМ в режиме реального масштаба
времени, наиболее характерном для систем управления объектами и
процессами, ввод каждого отсчета, его обработка и вывод результата
должны быть завершены до появления следующего отсчета, т.е. за
интервал Т. Таким образом, шаг дискретизации определяет не только
погрешность преобразования, но и требования, предъявляемые к
быстродействию машины, архитектуре и параметрам СВВ, а также
ограничения на сложность алгоритмов обработки.
Выбор величины кванта. Величина кванта А Кв) не должна
превышать допустимой погрешности квантования, т.е.
А кв < А 2 , (4.5)
где Д2 — доля общей погрешности процесса эквивалентной замены
аналогового сигнала его отсчетами, приходящаяся на квантование.
Суммарная погрешность, вызванная погрешностями вследствие
дискретизации ( Ai ) и квантования ( Д2 ) не должна превышать
величины в выражении (4.1). Погрешности дискретизации и кванто¬
вания являются методическими.
4.2. Компоненты системы ввода-вывода аналоговых сигналов
Ограничимся рассмотрением СВВ, в которых в качестве ЦАП
и АЦП используются преобразователи цифровых кодов в напряжение
постоянного тока (ПКН) и напряжения в цифровые коды (ПНК).
Помимо ПНК и ПКН в состав этих СВВ входят мультиплексоры и
демультиплексоры аналоговых сигналов, схемы сохранения уровней
напряжения (аналоговые запоминающие элементы), ключи и т.п.
Помимо ЦАП и АЦП широко распространены непосредственные преобразователи ме¬
ханических перемещений в цифровые коды и обратно; такие преобразователи широко
используются в качестве узлов систем управления, в частности в электромеханических ПУ.
К основным характеристикам АЦП и ЦАП
принято относить диапазон изменения входной (или выходной)
величины, разрешающую способность, инструментальную погрешность
и быстродействие.
Диапазон изменения входной величины определяет допустимые
уровни преобразуемого сигнала; для ПНК этот диапазон задается в
виде максимального Umax и минимального Utnin напряжений на входе
114
преобразователя. Наиболее распространены ПНК с диапазоном 5В
или (0—10)В.
Разрешающая способность R для АЦП определяется величиной
кванта А кв и характеризует наименьшее различимое изменение
входной аналоговой величины. Общее число состояний входного
сигнала, различимых посредством АЦП, определяется отношением
(Urmx—Umin)/R. В случае, если для представления цифрового
сообщения в таком АЦП или ЦАП используется двоичный (прямой,
инверсный, смещенный и т.п.) код, то разрядность, т.е. число
двоичных разрядов п этого кода, составит:
п = ent (1 + R --т~) , (4.6)
где символ ent означает выделение целой части числа; R = А кв .
Инструментальная погрешность включает в себя погрешности
настройки, временной и температурной нестабильности, не¬
стабильности источников питания и т.п. Все инструментальные
погрешности проявляются в виде смещения нуля передаточной
характеристики, изменения коэффициента передачи и отклонения
передаточной характеристики от идеальной. Значение инструменталь¬
ной погрешности определяется возможностями технологии и исполь¬
зуемыми компонентами для выбранного алгоритма преобразования;
снижение инструментальной погрешности обычно связано со
значительными затратами. При правильном выборе АЦП и ЦАП
инструментальная погрешность должна соответствовать величине
кванта, т.е. А ИНСр ^ А кв .
Таким образом, инструментальная погрешность определяет воз¬
можную разрядность преобразователя. Современные ПНК харак¬
теризуются разрядностью п = (8-14). Каждый отсчет, представляемый
в АЦП и ЦАП л-разрядным числом, является неделимым для
обработки квантом информации, однако передаваться через интерфейс
он может параллельно-последовательным способом. [Разрядность
преобразователей угловых и линейных механических перемещений в
Цифровой код достигает п = (20-22) ].
Быстродействие АЦП и ЦАП характеризуют временем преоб¬
разования ТПр , т.е. интервалом от начала преобразования до момента
получения выходного сигнала. Для АЦП значение ТПР < Т, где
Т— шаг дискретизации; для ЦАП в качестве ТПр принимают время
Установления выходной величины с заданной точностью (обычно с
точностью до величины кванта). Время преобразования определяется
нс только быстродействием используемых элементов АЦП, но и
алгоритмом преобразования и разрядностью преобразователя.
Преобразователи цифрового кода в напряжение постоянного
тока. Принцип действия ПКН заключается в суммировании анало¬
говых величин (токов или напряжений), пропорциональных весам
Разрядов входного цифрового кода.
115
Однополярные ПКН. Выходное напряжение Ua ПКН
можно описать выражением:
п 1 п 1
Ua ~~ Ui — Uo pi СЦ у
0 0
где Ui — аналоговая величина (напряжение или ток), пропорциональ¬
ная весу р г-го разряда; сц — значение i-го разряда входного кода;
a Uo — масштабный множитель.
При использовании естественных двоичных кодов сц = 0 или 1,
Pi = 21 последнее равенство можно преобразовать к виду:
Us nv> ryi Us A /A
Ua = -y 2j (k 2 = — A , (4.7)
z о I
где A = (dn-i, On-2, ai, do)—преобразуемое двоичное число, a U3,
значение эталонного напряжения, определяющее диапазон изменения
выходного напряжения ПКН.
В состав ПКН входят аналоговые ключи с цифровым управ¬
лением, служащие для коммутации эталонных напряжений или токов,
делители для получения совокупности взвешенных опорных напря¬
жений Ui из одного эталонного напряжения иэ и сумматоры
аналоговых сигналов. На рис.4.4а приведена схема реализации ПКН,
основанная на независимом суммировании токов, осуществляемом
операционным усилителем (ОУ). Напомним, что ОУ имеет высокий
коэффициент усиления (обычно свыше 50 ООО), потенциал его входа
(Вх) близок к нулю, а входное сопротивление велико (т.е.-/=/ос).
При этих условиях токи Ij через входные резисторы определяются
как Ij = U/(21 R), если соответствующий ключ Кл, замкнут; Ij = 0,
если ключ разомкнут.
Напряжение Ua на выходе ОУ определяется выражением
г - ~ „ v , Us ч Us AcV
иА - I 2 Roc - Roc z (R y) - R 2" ъ ai 7 '
Это выражение с точностью до постоянного коэффициента
совпадает с выражением (4.7), т.е. такой ПКН позволяет поставить
в соответствие двоичному коду А положительное значение напря¬
жения постоянного тока в диапазоне от 0 до Шэ Roc /Ю. Отметим,
что для получения положительного выходного напряжения эталонное
напряжение должно быть отрицательным.
На практике из-за больших погрешностей, вызываемых допу¬
сками на прецизионные резисторы различных номиналов, такая схема
применения не находит. Наиболее распространенными схемами ПКН
являются схемы, использующие резистивную сетку R-2R (рис.4.4,б),
источники равных токов в разрядах и интегральные делители опорных
токов.
Несколько подробнее рассмотрим схему, использующую
резистивную сетку R-2R. Входной цифровой код А=(ап-и ai, сю),
116
Д Д Д Д I—CD—I
fp :Р [ Р ГР
6)
23
Рис. 4.4
ао— младший разряд, фиксируется на регистре (на схеме рис.4.4,б
[стр не показан). В зависимости от значения разряда aj
ветствующий ключ Кл, подключает к г-ому входу сетки источник
юнного напряжения U3i или иЭ2 . Воспользовавшись законами Ома
лрхгоффа, можно найти ток /* , втекающий в суммирующую
су ОУ при любых положениях ключей:
3^ 2 ,2- + ^ 2 ,2- .
и =
117
Положим далее, что Ыэ2 = 0> a Usi 8 № и найдем напряжение
Ua на выходе ПКН:
тт _ г г» _ иэЯоС Y /V
UA Лос ^ ’
Это выражение с точностью до постоянного коэффициента
совпадает с выражением (4.7). Таким образом, выходное напряжение
Uл ставится в соответствие входному цифровому коду. Необходимая
точность преобразования обеспечивается только при малых погреш¬
ностях сопротивления резисторов сетки R-2R, при этом необходимо
также учитывать внутреннее сопротивление замкнутых ключей.
Быстродействие схемы определяется затратами времени на
перезаряд паразитных емкостей резистивной сетки при переключении
входных токов. На рис.4.4,в показана резистивная сетка в схеме
обращенного ПКН, обладающего более высоким быстродействием.
Резистивная сетка R-2R служит для получения от одного источника
токов, отношения значений которых пропорциональны степени
двойки. Эти токи затем подаются на суммирующую точку ОУ для
получения напряжения Ua, соответствующего положениям переклю¬
чателей Кл, т.е. входному коду А.
Рассмотрим работу схемы обращенного ПКН, начиная с левого
края. Согласно закону Ома, Uo = Io2R. Ток Ioi в точке (а)
разветвляется по двум равным сопротивлениям 2R и, следовательно,
Ioi = 21о , т.е. U01 = 1о R = Io 2R. Поскольку Ui = Uo + Uoi , то
Ui = 2(2R)Io . Продолжая рассуждения, получим
Is = h ; h = 1з 12; Ii = 1з 14; h = h /8;
при этом /з = 2^, т.е,
и3
, т.е.
UsRoc п~2
В этой схеме переключатели Кл служат для подачи соответст¬
вующего «взвешенного» тока на суммирующую точку ОУ или на
шину земли. Как и в предыдущей схеме, на точность преобразования,
а следовательно, и на возможное число разрядов преобразуемого кода
влияют погрешности сопротивления резисторов сетки и непостоянство
внутреннего сопротивления ключей. Обращенные ПКН имеют раз¬
рядность п= 10-12.
Получение достаточно точных значений сопротивлений сетки
при использовании интегральной технологии оказалось затруднитель¬
ным; это явилось причиной создания ПКН с активными делителями
опорных токов, однако разрядность таких ПКН также п= 10-12.
Обязательным компонентом всех ПКН является электронный
ключ, служащий для коммутации аналоговых токов. Такой ключ
должен обладать малым внутренним сопротивлением во включенном
118
г-i—-
I
a)
состоянии и малой длительностью переключения. На рис.4.5 показаны
условное обозначение ключа (а) и две возможные схемы его
реализации на МОП-транзисторах (б) и биполярных транзисторах
(в). Такие ключи служат для соединения одного из аналоговых входов
с аналоговым выходом (схема в) или для подключения аналогового
входа к одному из аналоговых выходов (схема б); переключение
осуществляется под управлением дискретного сигнала, подаваемого
на управляющий вход ключа.
Двуполярные ПКН. Для получения на выходе ПКН
напряжения любой полярности необходимо наличие двух источников
эталонного напряжения (рис.4.6, а) или дополнительного ком¬
мутируемого инвертора выходного сигнала (рис.4.6,б). В первом
случае дополнительный источник эталонного напряжения служит для
«смещения» выходного напряжения на постоянную величину, соот¬
ветствующую половине диапазона изменения Ua . При этом
поступающая на вход ПНК цифровая величина должна быть
представлена в смещенном двоичном коде, в котором значению
А=(0,0,...,0,0) соответствует максимальное отрицательное значение Ua
, значению А=(1,1,...,1,1)—максимальное положительное UA , а
нулевому значению UA=0 соответствует входной код А=(1,0,...,0,0)
или А=(0,1...,1,1). Работа схемы пояснений не требует. При наличии
Двух разнополярных источников эталонных напряжений и использо¬
вании смещенного двоичного кода приведенная на рис.4.6,а схема
также позволяет получить на выходе двуполярное напряжение UA.
Аналогичные результаты можно получить при использовании комму¬
татора и инвертора выходного напряжения рис.4.6,б. В этом случае
входная величина представлена прямым двоичным кодом, причем
старший знаковый разряд ап используется для коммутации инвертора.
Способ представления двоичного числа, обеспечивающий
правильную работу двуполярного ПКН, необходимо учитывать при
пРограммировании операций ввода-вывода аналоговых сигналов.
Преобразователи напряжения постоянного тока в цифровой
Двоичный код. Принцип действия большинства ПНК основан на
119
ar
Я/7-/ ■
}-U3 Q+U3
R-2R
a)
-Oil A
Рис. 4.6
подборе кода, который, будучи преобразованным в напряжение,
позволяет получать минимальное отклонение от входного напряжения
Ux, поступающего на ПКН. В схемах ПНК используются преобра¬
зователи кода в напряжение, логические схемы подбора кода и
компараторы, осуществляющие сравнение входного напряжения Ux и
напряжения Ua на выходе ПКН. Компараторы (их иногда называют
схемами сравнения, или нуль-органами) в настоящее время строятся
на базе дифференциальных ОУ; они позволяют формировать
дискретный выходной сигнал Сно в зависимости от знака разности
входных аналоговых напряжений Ux и UA , т.е.
С =
0, если Ux ^ Uл
1, если Ux < Uа .
Алгоритм подбора кода определяет быстродействие ПНК, слож¬
ность его технической реализации и во многих случаях достижимую
разрядность. Одним из наиболее распространенных является алгоритм
последовательного приближения. Схема ПНК, реализующая этот
алгоритм, приведена на рис.4.7,а, временная диаграмма и последо¬
вательность подбираемых кодов, устанавливаемых на входном
регистре ПКН, приведена на рис. 4.7,6.
Сигнал начала преобразования приводит к установке на входном
регистре РгПКН кода А= (1 ООО...0); по первому синхроимпульсу
(СИ1). В результате установленный на регистре код преобразуется
посредством ПКН в напряжение UA, которое сравнивается компара-
120
UT — — А )г-к==Лг—'
1 г 3 4 5 б \7 в
л_]л_л_гг_п_п_Г1_п_
Начало
л
Результат
готов
J“L
5)
Рис. 4.7
тором (нуль-органом — НО) с входным преобразуемым напряжением
Ux. Если Сно = 0, т.е. Ux > Ua , то установленный на регистре код
А недостаточен и должен быть увеличен; если Снег 1, т.е Ux < Ua
(рис.4.7,б), то код превышает требуемый и его необходимо уменьшить.
В зависимости от значения сигнала Сно логическая схема (JICx) во
втором такте (по сигналу СИ2) производит установку в регистр Рг
кода А = (1100...0), если Сно = 0, или А = (0100...0), если
Сно = 1. Вновь установленный код преобразуется в напряжение Ua,
которое по-прежнему сравнивается с Ux. Таким образом, в момент
прихода СИЗ в Рг устанавливается новый код в соответствии с вновь
выработанным значением Сно. Этот процесс подбора производится
Непрерывно и завершается после «анализа» кода А, в котором
Установлен младший разряд. В этот момент JICx вырабатывает сигнал
^товности результата, который может быть прочитан на регистре
Последовательность кодов, устанавливаемых на Рг в процессе
Подбора, иллюстрируется на рис.4.7,в. Длительность полного цикла
преобразования Тпр занимает (п + 1) тактов, Тар =Тсп (n + 1),
121
где Ten — период тактовых сигналов. Очевидно, что верхней границей
Тпр является допустимый период дискретизации, т.е. Trip = Т [см.
(4.3) и (4.4) ].
Описанный процесс подбора кода справедлив только для случая
неизменного во времени входного сигнала Ux\ однако реальный сигнал
Ux, поступающий на вход ПНК, не остается неизменным. Максималь¬
ное изменение A Ux этого сигнала за время цикла преобразования
A Ux = Mi Тпр, где Mi — максимально возможная скорость изме¬
нения Ux. Потребуем, чтобы код на выходе ПНК отличался от кода,
соответствующего входному сигналу в момент начала цикла преоб¬
разования, не более чем на единицу младшего разряда; это значит,
что
А кв ^ Mi Тпр .
Если последнее условие не выполняется, т.е. ПНК не обладает
достаточным быстродействием, возникает дополнительная погреш¬
ность, обусловленная непрерывным изменением сигнала Ux*
Для уменьшения такой погрешности необходимо использовать
более быстродействующие схемы ПНК, а также применять на входе
преобразователей схемы сохранения уровня напряжения (схемы
выборки — хранения), которые фиксируют значение входного анало^
гового сигнала Ux в момент начала преобразования и сохраняют его
постоянным до завершения преобразования. Принцип действия таких
схем основан на заряде конденсатора от входного сигнала в течение
периода ТВб и поддержания на нем постоянного потенциала в течение
периода хранения ТХр.
Одна из наиболее часто используемых на практике схем
выборки-хранения приведена на рис.4.8, а; принцип ее работы
поясняется на рис.4.8,б. Схема состоит из операционных усилителей
ОУ1 и ОУ2 с единичными коэффициентами усиления, «запоминаю¬
щего» конденсатора С и аналогового ключа Кл. Под воздействием
дискретного управляющего сигнала s ключ Кл замкнут в течение
периода выборки и разомкнут в течение периода хранения. В период
выборки конденсатор С заряжается до потенциала входного сигнала
Ux ; заряд происходит большим выходным током усилителя ОУ1 и,
следовательно, постоянная времени заряда достаточно мала. По¬
тенциал заряженного конденсатора «передается» на выход усилителя
ОУ2 и далее на вход ПНК. Большое входное сопротивление ОУ2
обеспечивает большую постоянную времени разряда и, следовательно,
возможность сохранять постоянным потенциал на конденсаторе в
течение сравнительно длительного времени (ТХр > Твв). Для ускорения
процесса заряда конденсатора С в период выборки в практических
схемах выборки-хранения обратная связь операционного усилителя
ОУ1 подается с выхода ОУ2 (рис.4.8,в). За счет отсутствия
отрицательной обратной связи при разомкнутом ключе коэффициент
122
1 с
IV. К Л 1
У. . .
рУ0У1
л-L
ст г
ру^0У2
а)
*66
_гт
п
б)
8)
Рис. 4.8
усиления 0У1 велик и при замыкании контактов ключа на
конденсатор С подается большая разность потенциалов, ускоряющая
его заряд. Такая схема приводит также к некоторому снижению
требований, предъявляемых к характеристикам ключа и усилителя
0У2.
Алгоритмы преобразования и схемные решения ПНК харак¬
теризуются большим разнообразием, что обусловлено необходимостью
получения высокой точности или высокого быстродействия, а также
особенностями технологии. Наибольшим быстродействием обладают
ПНК непосредственного считывания (рис.4.9), в которых реализуется
алгоритм параллельного преобразования. Входной сигнал Ux сравнива¬
йся с набором (2п — 1) эталонных напряжений, обычно формируемых
посредством делителя. На выходах всех компараторов с 1-го по i-ый
Формируется сигнал «О», если 11э1 > Ux на выходах компараторов
с (i+l)-ro по (2 п— 1)—й формируется сигнал «1», если Uso+i) £ Ux ,
т*е. на входы шифратора Ш поступает единичный нормальный код
123
00...011..Л, который преобразуется в
выходной код ПНК (например, двоичный
или циклический). ПНК такого типа
требуют больших аппаратных затрат,
пропорциональных 2п , поэтому расс¬
мотренные схемы используются обычно
в качестве составных узлов ПНК,
реализующих комбинированные ал¬
горитмы, для ускорения преобразования.
Весьма распространенным методом
преобразования является двойное
интегрирование. ПНК, реализующие
этот метод, позволяют получать высо¬
кую точность, соответствующую 14-16
двоичным разрядам. Однако такие ПНК
имеют низкое быстродействие. Упрощенная схема ПНК с двойным
интегрированием приведена на рис.4.10,я, а временная диаграмма его
работы — на рис.4.10,6. Его основными компонентами являются
интегратор И, построенный на базе операционного усилителя с
емкостью С в цепи обратной связи, аналоговые ключи Кл1 и Кл2,
компаратор НО, счетчик Сч и схема управления СУ. При
поступлении импульса запуска S начинается цикл преобразования,
имеющий два этапа длительностью То и Тх . Сигнал запуска S
начинает первый этап преобразования; он приводит к установке в
единичное состояние двух триггеров в схеме управления, что
вызывает замыкание аналогового ключа Кл2 и установку ключа Кл 1
в верхнее положение. На вход интегратора подается сигнал
Ux > который интегрируется в течение интервала То . Одновременно
на вход счетчика подаются импульсы тактовой частоты ТИ. Конец
интервала То определяется моментом переполнения счетчика, т.е.
сигналом Р. Таким образом, при использовании двоичного п-разряд¬
ного счетчика То = ТТи 2п . Напряжение на выходе интегратора в
этот момент соответствует величине Ux То К, где К — постоянная
интегрирования. Сигнал Р переключает один из триггеров СУ в
нулевое состояние, что приводит к переключению Кл1 в нижне
е положение. В этот момент начинается второй этап преобра¬
зования длительностью Тх, в течение которого на вход интегратора
подается напряжение от эталонного источника (-иэ). Момент
завершения этого этапа определяется фронтом сигнала СНо от
компаратора, когда напряжение на выходе интегратора становится
равным нулю. Именно в этот момент код А на выходе счетчика
соответствует входному напряжению Ux. По фронту сигнала С но
схема управления прекращает передачу на счетчик сигналов тактовой
частоты и замыкает ключ Кл2, переводя интегратор в начальное
124
Чг
и,
Рис 4.9
Рис 4.10
состояние. Поскольку в момент переключения сигнала Сно напря¬
жение на выходе интегратора равно нулю, а постоянная
интегрирования одинакова на протяжении всего цикла, то справедливо
следующее равенство: Ux Т0 = 11э Тх, или, поскольку ТхъТТи А (с
точностью до единицы младшего разряда)
т.е. напряжению Ux поставлен в соответствие выходной код А.
В ПНК с двойным интегрированием в значительной степени
скомпенсированы ошибки, вызванные погрешностями пассивных
компонентов, так как на этапах То и Тх эти ошибки имеют разные
знаки. Кроме того, при интегрировании происходит сглаживание
случайных флуктуаций сигнала Ux , вызванных внешними наводками.
Таким образом, ПНК рассматриваемого типа осуществляет преобра¬
зование среднего на интервале То значения напряжения Ux.
Многоканальные АЦП и ЦАП. В СВВ аналоговых сигналов
приходится решать задачу преобразования в цифровой код напря¬
жений от множества различных источников во внешнем мире, а
также выдачи аналоговых напряжений множеству внешних потребите¬
лей. Чтобы решить эту задачу, можно использовать отдельные ПНК
Для каждого источника и отдельные ПКН для каждого потребителя.
Каждый такой ПКН или ПНК следует рассматривать как отдельное
ПУ и оборудовать его соответствующими схемами подключения к
интерфейсу. Однако такое решение слишком дорого.
Для снижения затрат в многоканальных СВВ применяют
аналоговые мультиплексоры и демультиплексоры, позволяющие
использовать дорогостоящие ПНК и ПКН на основе разделения
вРемени для нескольких источников и потребителей аналоговой
Информации. Кроме того, сокращаются схемы подключения к
интерфейсу. Аналоговый мультиплексор представляет собой совокуп-
125
ность аналоговых ключей с дискретным
управлением и цифрового дешифрато¬
ра. Обычно мультиплексор подключа¬
ется ко входу схемы выборки-хра¬
нения, соединяя непосредственно
источники аналоговых сигналов со схе¬
мой. Однако если диапазоны изменения
аналоговых сигналов от источников
значительно различаются, на каждом
входе мультиплексора включают
специальный инструментальный усили¬
тель, нормирующий входное напря¬
жение. В некоторых случаях такой
усилитель включается между выходом
мультиплексора и входом схемы вы¬
борки-хранения, однако при этом его
коэффициент усиления должен устанавливаться программно, в
соответствии с номером подключенного мультиплексором аналогового
канала.
На рис.4.11 показан пример четырехканального аналогового
мультиплексора (МС), на выходе которого напряжение Umc принима¬
ет поочередно значения напряжений на входах Uxi, UX2, ихз или
UX4 в соответствии с номером канала, установленным в регистре Рг.
Такой мультиплексор служит для коммутирования аналоговых
сигналов, передаваемых по однопроводной схеме. Существуют
мультиплексоры для коммутации дифференциальных сигналов.
Работа ПНК и мультиплексора должна быть синхронизирована
так, чтобы перед переключением мультиплексора на очередной канал
был полностью завершен цикл преобразования для предыдущего
канала. При использовании мультиплексоров увеличивается интервал
между последовательными циклами преобразования по одному
каналу; это следует учитывать в особенности для быстроизменя-
ющихся процессов, так как должно выполняться условие Тпр < Т.
Мультиплексоры приводят также к увеличению погрешности преоб¬
разования за счет дополнительной коммутации аналогового сигнала;
этот недостаток проявляется особенно заметно при использовании
многоступенчатых мультиплексоров.
Схемы управления многоканальными ПНК могут самостоятельно
вырабатывать последовательность адресов каналов, например, с
помощью адресного счетчика. В этом случае номер начального канала
i загружается в Рг от центральной части машины (обычно под
управлением программы), а после завершения каждого цикла
преобразования в ПНК в этот регистр добавляется единица, т.е.
осуществляется переход к следующему каналу. При этом часто вместе
с кодом, формируемым на выходе ПНК, в центральную часть машины
передается и номер текущего канала. В СВВ такому многоканальному
ПНК присваивается один номер, что позволяет сократить схемы
126
сопряжения. Многоканальные схемы вывода аналоговой информации
могут быть также построены на базе одного ПКН, к выходу которого
посредством аналогового демультиплексора подключается множество
схем выборки-хранения. Однако на практике стоимость ПКН
соизмерима со стоимостью схемы выборки-хранения и поэтому для
каждого внешнего потребителя аналоговой информации используют
отдельный ПКН. Несколько ПКН (по числу каналов) объединяют в
одно ПУ, обладающее необходимыми схемами сопряжения с интер¬
фейсом, а загрузку регистров ПКН осуществляют на основе
разделения времени. Для этого в ПУ предусматривают специальный
регистр номера канала и цифровой селектор.
4.3. Структура и управление системой ввода-вывода аналоговых сигналов
В состав СВВ аналоговых сигналов, помимо рассмотренных
многоканальных схем ПКН и ПНК, входят различные логические
схемы, предназначенные для организации сопряжения ПКН и ПНК
с центральной частью машины, определения текущего номера
входного или выходного аналогового канала, задания темпа опроса
каналов, буферизации преобразуемых данных и т.д. На рис.4.12
приведен пример полной СВВ аналоговых сигналов, предназначенной
для мини- или микроЭВМ с объединенным интерфейсом. Схема
включает в себя три секции:
1) многоканального приема аналоговых сигналов, содержащую
схемы управления (СУ) АЦП, генератор тактовых импульсов
перестраиваемой частоты (ПГТИ), запоминающее устройство (ЗУ)
для хранения коэффициентов усиления инструментального усилителя
(ИУ) по каждому входному каналу, аналоговый мультиплексор (МС),
схему выборки-хранения (В-Х) и собственно преобразователь (ПНК);
2) многоканальной выдачи аналоговых сигналов, содержащую
схему управления (СУ ЦАП), селектор номера канала (СНК),
входные регистры Prl-PrN и собственно преобразователи ПКН1-
I1KHN;
3) управления режимами работы и сопряжения с интерфейсом;
эта секция включает в себя адресный селектор (СА), регистры адреса
Данных (РгАД), номера канала (РГНК), числа каналов (РгЧК),
команд и состояния (РгКС), скорости опроса каналов (РгСО), данных
(РгД), а также схемы управления прямым доступом (БУПДП) и
прерываниями (БУП).
Непосредственный процесс аналого-цифрового преобразования по
каждому каналу начинается по сигналу S1, формируемому в схеме
СУ АЦП. По этому сигналу схема В-Х переходит в режим выборки.
Но заднему фронту сигнала S1 схема В-Х переходит в режим
хРанения, т.е. значение напряжения на ее выходе соответствует
значению входного напряжения в момент завершения выборки. В
момент по сигналу S2 начинается цикл преобразования в ПНК;
завершается цикл по сигналу S3 передачей сформированного кода
Из ПНК в буферный регистр РгД. Одновременно сигнал S3 позволяет
127
Рис. 4.12
сформировать запрос прерывания или прямого доступа для передачи
сформированного кода из РгД в память машины. Однако, чтобы СУ
АЦП смогла начать выработку сигналов управления процессом
преобразования, должны быть заданы режимы ее работы, способы
формирования номеров каналов и выдана команда «начать преобра¬
зование».
Возможны два основных способа задания адресов каналов (или
способа опроса каналов) — произвольный и последовательный.
При произвольном способе опроса каналов
номер канала задается программой-драйвером и по шине данных
(ШД) заносится на РгНК. Непосредственно вслед за занесением
адреса канала программа-драйвер выдает команду «начать преобра¬
зование» и заносит ее на РгКС. В системах с объединенным
интерфейсом все регистры СВВ, подключенные к ЩД, являются
программно доступными, т.е. имеющими собственные адреса. Для
выборки требуемого регистра используется схема адресного селектора
128
СА, на вход которой по шине адреса (ША) подается адрес
загружаемого регистра. Код номера аналогового канала из РгНК
передается на мультиплексор МС для подключения соответствующего
канала к выходу ИУ и на адресный вход памяти для выборки
коэффициента усиления Км соответствующего подключенному к ИУ
каналу. Значения коэффициентов усиления предварительно загружа¬
ются в ЗУ. Получив команду начать преобразование, СУ АЦП
вырабатывает последовательность сигналов управления, а после
завершения преобразования — сигнал запроса прерывания,
формируемый в БУП. Данные передаются из РгД программе в режиме
программного доступа. Чтобы осуществить преобразование по другому
каналу, программа вырабатывет номер этого канала, передает его в
РгНК и вновь выдает команду «начать преобразование».
При последовательном способе опроса кана¬
лов одна команда «начать преобразование» позволяет инициировать
последовательность циклов преобразования для опроса группы
раличных каналов. Предварительно наименьший номер канала в
группе заносится программой-драйвером на РгНК; на РгЧК заносится
общее число каналов в группе, опрашиваемых по одной команде.
Получив команду, СУ АЦП начинает обычный цикл преобразования
для канала, номер которого содержится в РгНК. После завершения
цикла сигнал S3 используется не только для организации передачи
сформированных данных в ОП, но и для определения очередного
номера аналогового канала, для чего к текущему содержимому РгНК
добавляется единица; при этом число в РгЧК уменьшается на
единицу. При последовательном опросе каналов обычно используют
прямой доступ в память, управление которым осуществляет блок
управления (БУ ПДП). Для этого в памяти машины отводится
непрерывная область с базовым адресом АБо для приема преобразу¬
емых данных от всех входных аналоговых каналов. Адрес ячейки
памяти, в которую передаются данные из РгД, формируется в РгАД
путем сложения базового адреса АБо и номера текущего канала L
После передачи числа из РгД в память машины СУ АЦП вновь
формирует сигнал S1, т.е. начинает новый цикл преобразования для
очередного канала. Этот процесс продолжится, пока содержимое РгЧК
не станет равным нулю.
Новый цикл опроса входных аналоговых сигналов инициируется
очередной командой начала опроса от ЦП или автоматически по
сигналу от ПГТИ, выполняющего роль таймера. Настройка ПГТИ
осуществляется программно с помощью РгСО или путем переклю¬
чения тумблеров на лицевой панели УВВ. Во многих случаях частота
°проса задается объектом управления, а период опроса изменяется
в пределах от 100 мкс до 1 с. Если в машине имеется собственный
таймер, то такой ПГТИ необязателен.
Вывод аналоговых сигналов осуществляется с использованием
^Дельных ПКН для каждого выходного канала. Для запоминания и
Декодирования номера текущего канала применяются логические
5 - 836 129
схемы, аналогичные используемым в секции ввода. Вывод аналоговых
сигналов также может осуществляться в режимах произвольного
задания номеров каналов и последовательного опроса. Аналогично
операции ввода при произвольном задании номера канала использу¬
ется программный доступ, а при последовательном опросе — прямой
доступ в память. Последовательности действий в этих режимах при
выводе аналогичны последовательностям действий при вводе.
В значительной степени можно упростить аппаратуру управления
СВВ аналоговых сигналов, если применить микропроцессоры. При
этом вместо отдельных функциональных регистров, доступ к которым
производится посредством адресной шины и селектора адреса,
используют несколько портов ввода-вывода. Все функции преобразо¬
вания управляющей информации в процессе опроса, а также
выработки управляющих сигналов возлагаются на МП. При приме¬
нении в СВВ аналоговых сигналов однокристальных микроЭВМ
(например, типа 1816ВЕ51), обладающих внутренней памятью, на
них можно возложить ряд дополнительных функций по предваритель¬
ной обработке, таких, как фильтрация преобразованных данных,
определение рациональной последовательности опроса каналов,
вычисление параметров, которые не могут быть измерены непосред¬
ственно, и т.д. МП позволяют «улучшить» метрологические параметры
АЦП за счет линеаризации характеристик с помощью таблиц
поправок, автоматизации процессов калибровки и компенсации
смещения нуля в используемых ОУ. Помимо перечисленных функций
МП может осуществлять переключение диапазонов изменения
входных и выходных аналоговых величин, управлять форматами
данных и т.д.
Следует отметить, что в настоящее время для управления СВВ
аналоговых сигналов наибольшее распространение получили 8-раз-
рядные МП, поэтому при использовании АЦП и ЦАП с разрядностью
10-14 каждый квант данных разбивается на два байта — старший и
младший, передача которых через интерфейс выполняется последо¬
вательно. При этом на неиспользуемые линии интерфейса выдаются
сигналы «0» или «1», что необходимо учитывать при про¬
граммировании.
Приведем основные характеристики, отражающие возможности
типичной СВВ аналоговых сигналов для миниЭВМ:
Число выходных каналов — 16 или 32
Число входных каналов — 16 или 32 (с возможностью расширения до 256)
Тип входных каналов — дифференциальные и однопроводные
Диапазон преобразуемого напря- — 0-5 В; 0—10В;+5В;+10В
жения
Используемые коды
Разрешающая способность
— прямой, смещенный, дополнительный, двоичные
— до 14 двоичных разрядов (обычно 12 и менее)
130
Точность — (0,05—0,02) %
Скорость преобразования — (100—20) 103 преобразований/с при вводе и до
500 10 преобразований/с при выводе
Поскольку СВВ аналоговых сигналов используются в управля¬
ющих ЭВМ, программы для которых составляются специалистами в
области управления процессами, упрощение программирования
приобретает особое значение. В большинстве языков высокого уровня
реального времени предусматриваются специальные операторы, поз¬
воляющие присваивать переменным значения, поступающие по
определенному входному аналоговому каналу. Номер канала в этом
операторе используется в качестве параметра. При отсутствии таких
языковых средств и соответствующих средств программной поддержки
программирование должно выполняться на ассемблере.
Контрольные вопросы
1. Определите необходимую частоту дискретизации:
а) речевого сигнала, передаваемого по телефонному каналу, полоса пропускания кото¬
рого составляет 4 кГц,
б) сигнала, пропорционального скорости перемещения каретки графопостроителя, если
погрешность позиционирования не должна превышать 0,1 мм, а ускорение ограничено и не
может превышать 20 м/с.
2. Назовите основные параметры, которыми принято характеризовать АЦП и ЦАП;
дайте определения.
3. Определите число двоичных разрядов ПКН системы отклонения электронного луча
индикатора растрового типа на ЭЛТ при числе строк растра 625.
4. Назовите основные компоненты ПКН и ПНК и перечислите их функции.
5. Какими факторами определяются инструментальные погрешности ПКН и ПНК?
6. Составьте структурную схему ПНК, реализующую алгоритм последовательного
приближения; на примере какого-либо фиксированного значения входного напряжения
поясните последовательность действий по подбору кода.
7. Поясните принцип действия ПНК, основанного на методе двойного интегрирования.
В чем достоинства и недостатки такого ПНК?
8. Какие компоненты необходимы для многоканальной СВВ аналоговых сигналов?
Предложите вариант организации опроса каналов.
Интегральные схемы ПКН и ПНК приведены в [5,45]. Описание полной схемы СВВ
аналоговых сигналов и ее компонентов содержится в [ 19,20,57]; схемы, используемые в УВВ
Дискретных сигналов, приведены в [49].
5. УСТРОЙСТВА И СИСТЕМЫ ВВОДА-ВЫВОДА
ТЕКСТОВОЙ ИНФОРМАЦИИ
Устройства ввода-вывода текстовой информации образуют многочисленную группу
устройств, основанных на различных физических принципах действия; функции этих
УВВ ограничены кодированием и преобразованием формы представления информации.
Ввод текстовой информации человек-оператор осуществляет вручную посредством
клавиатуры либо в ЭВМ, либо на промежуточный носитель. В первом случае для более
эффективной загрузки ЭВМ ввод часто производят с нескольких клавиатур в режиме
разделения времени. Кодирование информации посредством клавиатуры осуществляется
при участии оператора, а преобразование формы ее представления — одновременно с
кодированием. При предварительной подготовке данных, т.е. при переносе подлежащих
вводу данных в закодированном виде на промежуточный носитель, кодирование и
первичное преобразование форм представления информации выполняется устройствами
подготовки данных при участии оператора. Последующий ввод выполняется устройст¬
вами ввода с промежуточного носителя, к числу которых относятся УВв с перфолент (ПЛ)
и перфокарт (ПК), магнитной ленты (MJI), магнитных карт и гибких магнитных дисков
(ГМД). Эти устройства выполняют функции вторичного преобразования форм представ¬
ления закодированной информации. Для ввода текста с листов бумаги, называемых
первичными документами, служат устройства непосредственного ввода — оптические и
магнитые читающие автоматы.
Выводимая из ЭВМ текстовая информация может служить для оперативного исполь¬
зования, документирования и последующего анализа, а также для долговременного хра¬
нения вне машины. При оперативном использовании, например при управлении техно¬
логическими процессами или отладке программ, информация по прошествии некоторого
времени теряет ценность и может не сохраняться. Устройства вывода, используемые для
оперативного вывода, называют устройствами отображения информации (УОИ). При
необходимости получить изображение текста на бумаге или ином носителе используют
устройства регистрации или документирования, наиболее распространенными из кото¬
рых являются печатающие устройства. При необходимости длительного хранения вы¬
водимой информации вне машины используются системы микрофильмирования, в кото¬
рых применяют рулонную или плоскую фотопленку с высокой разрешающей способно
стью. При эксплуатации ЭВМ возникает потребность во вмешательстве оператора в ход
вычислительного процесса; оно реализуется посредством пульта ЭВМ, позволяющего
вводить и выводить цифровые сообщения.
5.1. Кодирование текстовой информации
Текстовая информация представляется последовательностью ал¬
фавитно-цифровых символов, каждый из которых определенным
образом кодируется. Для кодирования символов в качестве внутрен'
132
него кода ЭВМ наиболее часто используется двоичный код обработки
информации (ДКОИ), построенный на основе международного кода
EBCDIC. Этот код позволяет кодировать 256 символов, при этом
кодирование десятичных цифр и букв строится по весовому принципу,
согласно которому двоичный код символа (или его «вес») возрастает
последовательно на единицу при переходе от цифры к цифре (в
порядке возрастания цифр от 0 до 9) и от буквы к букве (в
алфавитном порядке). Такое построение кода значительно упрощает
наиболее частые операции обработки текстов — сортировку и поиск.
Кодирование символов посредством ДКОИ осуществляется согласно
табл.5.1. Символы располагаются в узлах таблицы на пересечении
строк и столбцов; строки и столбцы пронумерованы. Код символа
определяется путем приписывания к номеру столбца номера строки,
на пересечении которых находится символ, например, символу W
соответствует код 11100110. Для сокращения записи кода часто
используется шестнадцатиричная система; символу W при этом
соответствует обозначение Е6.
Таблица 5.1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
?
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
г
J
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
I
0 I 1 2 | J
*
5
6
7
п
0
/
2
3
if
5
6
7
в
9
А
в
с
в
Е
F
0
0
0
0
0
ПУС
API
ВЦФ
Д16
про\
&
—
ц
и
я
ь
{
}
\
0
0
0
0
1
1
НЗ
СУ1
нзи
ЛИ
/
а
J
—
Ы
А
0
Д31
1
0
0
1
0
2
НТ
СУ2
РП
cm
Ь
К
S
3
В
к
S
2
0
0
1
1
J
КТ
СУЗ
W
Д19
с
1
t
ш
С
L
т
3
0
1
0
0
ВЫ!)
вег
БК
вкп
й
m
и
э
В
М
0
if
0
1
0
1
5
ГТ
НС
ПС
ОСУ
е
п
V
ш
Е
N
и
5
0
1
1
0
6
МП
BIU
КБ
вп
КЗ
f
0
W
ч
F
0
W
6
0
1
1
1
7
m
АР2
кп
а
9
Р
X
ь
6
Р
X
7
/
.0
0
0
8
№
АН
аов
№
Б
Ь
9
У
ю
н
Q
У
В
1
0
0
1
9
Д13
кн
Q09
№
1
г
Z
А
I
R
I
9
1
0
1
0
А
НРВ
УУК
УР
й?6
[
]
I
•
д
к
Р
Б
X
н
т
3
1
0
1
1
В
ВТ
cm
СП2
СПЗ
•
И
#
е
л
с
ц
И
0
У
Ш
1
1
0
0
С
ПФ
РФ
№
стп
<
*
%
©
Ф
п
m
й
Й
п
ж
Э
1
1
0
1
В
вк
РГ
к тм
НЕТ
(
)
г
г
И
У
Е
к
Я
в
ц
1
1
1
0
Е
выл
РЗ
ДА
030
+
•
♦
>
—
X
0
ж
Ф
Л
Р
ь
ч
1
1
1
1
F
вх
РЗ
зв
зн
1
•
—1
7
II
и
п
6
Г
Л
С
ы
36
133
Для кодирования алфавитно-цифровых символов в ПУ, в
частности в устройствах, используемых при передаче дискретных
сообщений по каналам связи, хранении информации в системах
внешней памяти, при обмене с другими машинами, в клавиатурах,
устройствах печати и т.п., наиболее распространен 7-разрядный код
КОИ-7 (ГОСТ 13052-74). При выборе системы кодирования опреде¬
ляющим здесь являются требования стандартизации, обеспечивающие
совместимость различного оборудования. Весь алфавит графических
и служебных символов распределен по трем кодовым таблицам:
КОИ-7НО, КОИ-7Н1 и КОИ-7С1 (табл.5.2). Каждая таблица
КОИ-7НО и КОИ-7Н1 содержит по 128 графических и служебных
символов. Таблица КОИ-7НО содержит буквы латинского, а таблица
КОИ-7Н1—русского алфавитов; цифры, графические знаки и слу¬
жебные символы в обеих таблицах повторяются. Семиразрядный код
символа определяется приписыванием номера строки к номеру
столбца, на пересечении которых он находится. Так, букве V
соответствует код 101 0110 (см. табл. КОИ-7НО); такой же код
соответствует букве «Ж» (см. табл. КОИ-7Н1). Таблица КОИ-7С1
содержит только управляющие символы (32 символа), которые
кодируются аналогично; так, указанному коду 1010110 соответствует
символ «ВП» (при приеме этого кода в ПУ формируется сигнал,
используемый для перевода печатающего механизма в верхнее
положение). Для обеспечения однозначности кодирования предусмот¬
рены специальные управляющие символы ВХ, ВЫХ, АР2, называемые
символами переключения регистров и служащие для увеличения
мощности алфавита. Если в принимаемой последовательности симво¬
лов встречается символ «ВХ» (код 0001111), то все последующие
коды расшифровываются в соотв!етствии с табл. КОИ-7НО; если
встречается символ «ВЫХ», то все последующие коды расшифровы¬
ваются в соответствии с табл. КОИ-7Н1. Для расшифровки кода
символа в соответствии с табл. КОИ-7С1 каждому такому коду
должен предшествовать код 0001011 символа АР2. При отсутствии
управляющих символов переключения регистров кодирование и
декодирование осуществляется согласно табл. КОИ-7 НО. Чтобы
сократить число символов переключения регистров в сообщении,
алфавит разбивается на группы символов, включаемых в одну
таблицу, с учетом вероятности их совместного использования.
Например, все латинские буквы расположены в табл. КОИ-7НО, а
все русские — в табл. КОИ-7Н1. При этом наиболее часто встреча¬
ющиеся символы повторяют в нескольких группах, например, цифры
и графические знаки повторяются в табл. КОИ-7НО и КОИ-7Н1.
Кроме того, предусматривают управляющие символы, изменяющие
значение только для одного последующего кода.
Кроме КОИ-7, в системах связи и телеобработки используются
международные телеграфные коды (МТК-2, МТК-5); в ВЗУ на
134
Таблицы кодирования символов 7-разрядными кодами КОИ-7
и
э-
X
-
о
-
ю
Тук]
ВКП 1
ОСУ 1
X
QQ
СПЗ I
вып|
Ь*
и
X
о
*
-
о
о
1
ВЦФ
| НЗН |
с
X
X
to
и
X
С
X
ожд
х
>s
см
X
и
X
X
X
X
и
-
—
-
г^.
с
х
и
(—1
>5
*
х
X
X
го
э
СП
э
X
X
X
— •
—
о
со
2,
<
х
X
ш
е
х
X
X
X
с;
2>
X
о
—
о
-
LO
с
к
а.
о
н
*
со
л
3
СО
a
СП
3”
3*
tO
—
О '
о
2
СО
VO
си
L-
X
X
ч
S
X
о
£
ь-
о •
—
-
со
о
-
см
со
ю
СО
1"-
00
05
• •
-
V
II
Л
п..
X
о
х
о
-
о
см
Про¬
бел
-
*
%
Я
К
—
—
*
+
•
1
•
-
о
о
-
-
API
(СУ 1)
с?
>5
и
(СУЗ)
1 СТП I
н
ш
X
[ НИЭ
х
X
X
<
X
X
1 we
см
X
<
1 Рф 1
I Jd
ГО
X
СП
X
о
о
о
о
ПУС
нз
н
X
КТ
кп
:>
н
X
<
ЗВ
ВШ
и
ПС
ВТ I
ПФ I
X
X
X
X
X
X
X
—1
—
-
сх
ст
с_
(Л
+-*
3
>
£
X
>»
N
-
—
—
1
X
СП
-
-
о
СО
г
СО
JC
о
чЭ
CU
Ч—*
ы
-С
-
•-
*
-
Е
с
о
—
о
-
ю
X
СУ
X
с/)
н
Э
>
£
X
>-
N
—
—
г
1
-
о
о
Tt*
<§>
<
X
и
Q
Ш
X
О
X
-
—э
X
£
Z
О
о
—
-
СО
о
-
см
со
ю
СО
*>■
00
05
-
•-
V
II
Л
г»-.
о
-
о
см
Про¬
бел
~
Л
%
и
<*5
<
—
—
*
+
-
1
-
о
о
-
-
API
>5
и
см
>»
и
(СУЗ)
СТП I
н
ш
X
I НИЭ
X
X
I HV
кн I
2>
сп
см
X
<
РФ 1
X
X
СП
X
(П
X
о
о
о
о
1
ПУС
СП
X
н
X
ь—1
X
X
X
ктм |
I VTT
X
сп
э
аз
н
X
и
X
Н
X
е
х
X
X
ВЫХ|
X
X
о
ю
о
о
*1
о
-
см
со
Tt*
ю
СО
00
05
о
-
см
СО
rt*
ю
Номера разрядов
о
о
-
о
-
о
-
о
-
О
-
о
о
-
О
-
с
о
о
-
-
о
о
-
-
о
О
-
-
о
о
-
-
orj
о
о
о
о
о
-
-
-
-
о
о
о
о
-
-
-
-
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
ь
О
Рис. 5.1
магнитных носителях — 8-разрядный код обмена информацией
КОИ-8 (ГОСТ 19768-74); в перфокарточном оборудовании — КПК-12
(ГОСТ 19769-74).
5.2. Устройства ручного ввода
В качестве устройств ручного ввода используются клавиатуры,
состоящие из набора клавиш и позволяющие кодировать передаваемые
в машину символы. Предусматривается ряд клавиш для выполнения
функций управления собственно клавиатурой и связанным с ней
оборудованием. Число клавиш клавиатуры всегда меньше числа
символов в алфавите, поэтому используются специальные клавиши,
изменяющие коды для остальных клавиш. Форма и размеры клавиш
определяются эргономическими факторами; расположение клавиш в
клавиатуре — стандартное, аналогичное расположению клавиш в
пишущей машинке.
Надо помнить, что в клавиатурах, предназначенных для ввода как русских, так и
латинских букв, могут использоваться различные стандартные расположения клавиш, соот¬
ветствующие машинке с русским или латинским шрифтом.
Устройство клавиатуры. Клавиатура включает в себя совокуп¬
ность ключей, замыкаемых при нажатии соответствующих клавиш,
а также схемы управления для формирования кода при замыкании
ключа, исключения неоднозначности кодирования из-за «дребезга»
контактов и выполнения других управляющих функций. Ключ
(рис.5.1) состоит из клавиши 7, возвратной пружины 2, плунжера
5, корпуса 4 и собственно контактов 5. В основе действия контактов
лежит изменение электрического сопротивления при их замыкании
вледствие механического воздействия (рис.5.1,д), магнитного воз¬
действия подвижным магнитом 6 на герметизированные контакты 7
(герконы на рис.5.1,6); изменения емкости между подвижными 8 и
неподвижными 9 пластинами (рис.5.1,0), а также эффект Холла, т.е.
136
Рис. 5.2
возникновение разности потенциалов в полупроводнике под действием
магнитного поля.
Нажатие на клавишу приводит к опусканию плунжера и
переходу ключа из состояния, соответствующего логическому «О», в
состояние логической «1». Так как такой переход связан с физическим
замыканием (размыканием) контактов или изменением напряжения,
то он происходит не мгновенно, а в течение короткого интервала
времени и сопровождается возможными обратными изменениями
состояний, называемыми дребезгом контактов. Схемы управления
должны устранять влияние дребезга контактов, в противном случае
при однократном нажатии клавиши формируется последовательность
неопределенной длины из одинаковых кодов.
Схемы управления. Основная функция схемы управления—
сформировать код, соответствующий нажатой клавише. Кодирование
обычно производится в соответствии с ДКОИ или КОИ-7. Простейшая
схема для реализации этой функции приведена на рис.5.2. Схема,
состоящая из генератора тактовых импульсов Ген, счетчика Сч и
Дешифратора ДШ, последовательно опрашивает состояние ключей
Кл, расположенных в столбцах X матрицы-клавиатуры. В случае,
если какая-либо клавиша нажата, то сигнал через замкнутый контакт
поступает на соответствующую горизонтальную шину Y матрицы и
затем через селектор С поступает на вход ПЗУ. Сигналы с
Дешифратора и селектора образуют адресный вход ПЗУ, в ячейках
Которого записаны коды символов (их младшие разряды), т.е.
137
Кп
Рис. 5.3
содержимое ячейки ПЗУ с адресом ХУ выдается на регистр символа
Рг (по заднему фронту тактового сигнала).
Старшие разряды кода определяются содержимым специального
регистра. При нажатии на клавишу переключения регистров соот¬
ветствующий ей код фиксируется в нем и определяет значения
дополнительных старших разрядов кода символа. Значения этих
разрядов остаются неизменными до перехода к другому регистру
клавиатуры, т.е. до следующего нажатия на другую клавишу
переключения регистров. Многие клавиатуры, особенно предназна¬
ченные для ПЭВМ, содержат до пяти регистров и позволяют при
нажатии одной клавиши формировать последовательности кодов
символов, соответствующие наиболее часто встречающимся операто¬
рам языков ПЭВМ. Специальные клавиши управления могут менять
значение старшего разряда кода символа только на время нажатия
одной клавиши. Для исключения влияния дребезга контактов выдача
138
кода символа из регистра задерживается на время завершения
переходного процесса.
В последнее время для управления работой клавиатуры все чаще
используют МП. Это позволяет упростить аппаратуру кодирования,
увеличить ее возможности, а также существенно уменьшить влияние
дребезга контактов. Вертикальные и горизонтальные шины матрицы
контактов подключаются, соответственно, к портам вывода (Пвыв)
и ввода (Пвв) МП (рис.5.3); для передачи в ЭВМ сформированного
кода символа используется второй порт вывода МП.
Программа МП для управления работой клавиатуры выполняет
следующие функции: формирует последовательность кодовых
комбинаций для опроса X (столбцов); анализирует входные
комбинации сигналов У (строк) клавиатуры; проверяет правильность
полученных комбинаций; формирует код символа в соответствии с
кодовыми таблицами используемого в ЭВМ внутреннего кода;
передает сформированный код символа в ЭВМ.
Вначале программа МП (рис.5.4) устанавливает исходное состо¬
яние счетчика повторений п:= 0 и начальные коды столбца Хо:=
00...01 и строки У о: = 00...00. Каждое следующее значение кода X
формируется путем циклического сдвига Хо на один разряд. Значение
X передается в Пвыв1, к выходам которого подсоединены вертикаль¬
ные шины матрицы ключей клавиатуры. На горизонтальных шинах
матрицы, подключенных ко входам Пвв, формируется одна из
комбинаций сигналов, программно считываемая МП. Эта комбинация
содержит:
— все нули, если ни одна из клавишей не нажата или нажатая
клавиша не находится в вертикальном ряду, на который от Г1выв1
подается сигнал «1»; программа производит очередной сдвиг кода X,
т.е. продолжает поиск нажатой клавиши;
— несколько единиц, если нажато две клавиши в вертикальном
столбце, соответствующем сигналу «1» из Пвыв1, эта ситуация
является ошибочной и МП может включать звуковой сигнал;
программа МП реализует возврат к началу;
— одну единицу, если нажата одна клавиша вертикального ряда,
которому соответствует сигнал «1» на выходе Пвыв1. По текущему
значению кода опроса столбца X и принятому из Пвв значению кода
строки У программно формируется весовой код нажатой клавиши,
т.е. замкнутого ключа. Для этого вначале коды опроса столбца X и
строки У преобразуются к двоичному или двоично-десятичному виду
Хст и Уст с помощью программных счетчиков. Затем определяется
весовое значение К нажатой клавиши
К = рХст+Уст,
гДе р — число ключей в одной строке матрицы клавиатуры.
Значение К запоминается и цикл опроса клавиатуры повторяется.
При каждом последующем цикле опроса клавиатуры производится
139
Рис. 5.4
сравнение текущего значения АТ, и предшествующего Ki—i . При их
совпадении увеличивается на единицу содержимое счетчика повто¬
рений, а при несовпадении счетчик повторений сбрасывается в нуль
и в качестве весового значения нажатой клавиши принимается
текущее значение АС,-. Если в течение rv=N циклов весовое значение
нажатой клавиши К не менялось, то оно используется для
140
формирования стандартного кода символа. Этим достигается «задер¬
жка» на время переходного процесса в ключе, т.е. исключаются
ошибки из-за дребезга контактов. Таким же образом выявляется
случай одновременного нажатия клавиш, находящихся в разных
столбцах. Код символа может формироваться посредством таблицы,
хранимой в ПЗУ. В этом случае весовое значение клавиши
используется в качестве смещения или базового адреса ячейки ПЗУ
с искомым значением кода. Весовые значения клавишей переклю¬
чения регистров клавиатуры используются в качестве базового адреса,
а остальных клавишей — в качестве смещения. В более простых
случаях код символа формируется программно, например, код
нажатой клавиши определяет младшие разряды кода символа, а номер
регистра клавиатуры — старшие разряды.
5.3. Устройства ввода с промежуточного носителя
В первых ЭВМ для ввода текстовой информации использовались
УВв с ПЛ и ПК. В основе их действия лежали принципы, широко
используемые к тому времени в устройствах телеграфии и фактурных
машинах. Такие УВв позволили повысить скорость по сравнению со
скоростью при непосредственном вводе с клавиатуры; производить
повторный ввод после замены или добавления нескольких ПК, что
имело важное значение при высокой стоимости аппаратуры ЦП и
малых объемах ЗУ этих ЭВМ; сравнительно легко визуально
проконтролировать закодированную информацию на ПЛ и ПК.
Недостатки ПЛ и ПК заключаются в невозможности многократ¬
ного нанесения информации, больших затратах бумаги, невозможнос¬
ти значительного повышения быстродействия из-за принципиальных
ограничениях скорости УВв с ПЛ и ПК.
В настоящее время ведущие фирмы практически прекратили выпуск перфокарточного
оборудования, а перфоленточное оборудование используется только для самых дешевых
микроЭВМ. Работа УВв с ПЛ описана в гл.2.
Рассмотрим кратко особенности УВв с ПК, так как это
оборудование установлено в большинстве ВЦ и продолжает эксплу¬
атироваться; кроме того, многие узлы других ПУ основаны на тех
же принципах действия, что и узлы УВв с ПК.
В УВв с ПК используется стандартная (ГОСТ 6198-75)
80-колонная ПК. Колонки нумеруются слева направо от 1 до 80;
на карте имеются 12 строк, которым сверху вниз присвоены номера
12,11,0,1,...,9. Для представления кода символа используются прямо¬
угольные отверстия-пробивки, располагаемые в позициях на пересе¬
чении колонок и строк. Наиболее распространенным для
представления символа на ПК является код КПК-12; в этом случае
Каждый символ занимает одну колонку ПК. При операции ввода
12-позиционный код символа преобразуется аппаратурой устройства
141
в 8-разрядный байт, соответствующий коду ДКОИ. Допускается
использование произвольных кодов при представлении информации
на ПК. В этом случае производится ввод без преобразования кодов,
а необходимые преобразования кодов выполняются программными
средствами ЦП. При вводе без преобразования каждый считанный
из одной колонки ПК 12-разрядный слог разбивается на два
6-раз рядных: первый соответствует позициям 12,11,0,1,2 и 3;
второй— позициям 4,5,6,7,8 и 9. Затем каждый 6-разрядный слог
размещается в старших разрядах 8-разрядного байта, передаваемого
в ОП; два младших неиспользованных разряда байтов заполняются
нулями.
Структурная схема. Схема УВв с ПК, которое иногда называют
считывающим, приведена на рис.5.5. На ней показаны следующие
основные узлы и механизмы устройства: 1 — подающий карман с
механизмом подачи ПК; 2 — узел БЗУ и преобразования кодов; 3—
узел связи с интерфейсом; 4 — узел синхронизации; 5 — узел
считывания; 6 — транспортный механизм; 7 — приемный карман. В
УВв с ПК могут использоваться дополнительный узел считывания и
узел разбраковки правильно прочитанных ПК и ПК, прочитанных
с ошибкой.
Перфокарты загружаются в виде стопки в подающий карман
(1) таким образом, чтобы первая ПК оказалась снизу. Механизм
подачи захватывает нижнюю ПК, отделяет ее от остальных ПК
стопки и подает в транспортный механизм. В наиболее распростра¬
ненных УВв в основе работы подающего механизма лежит принцип
ножевого захвата ПК. Нож захвата, совершающий возвратно-пос¬
тупательное движение, выступает над поверхностью основания
кармана на высоту, несколько меньшую толщины ПК; при движении
142
выступ ножа упирается в край ПК и сдвигает ее в сторону
транспортного механизма. Для отделения ПК от остальных ПК стопки
используют щель между основанием кармана и отделяющим ножом,
который установлен на боковой стенке кармана со стороны транс¬
портного механизма. Ширина щели регулируется этим ножом так,
чтобы через щель проходила лишь одна ПК. Помимо захвата ножом
широко распространен принцип вакуумного захвата. В основании
подающего кармана располагается вращающийся барабан с
отверстиями, в котором создается разрежение. Нижняя ПК присасы¬
вается к барабану и перемещается вместе с ним; для передачи ее
в транспортный механизм используют съемники, отделяющие эту ПК
от поверхности барабана. При вакуумной подаче для отделения
нижней ПК от остальных ПК стопки применяют вибрацию,
уменьшающую трение между ними. В некоторых УВв, обладающих
малым быстродействием, используют более простой механизм,
основанный на трении между ПК и подающим валиком.
Функция транспортного механизма состоит в том, чтобы
обеспечить перемещение ПК без перекосов в положение считывания.
Обычно транспортный механизм выполняют в виде ведущего валика
и ряда прижимных валиков; ПК перемещается под действием сил
трения. Для исключения перекосов устанавливают направляющие
вдоль тракта перемещения ПК. С ведущим валиком механически
связан диск узла синхронизации, на котором расположены метки,
обычно выполняемые в виде прорезей и детектируемые фотоэ¬
лектрическим способом. Считывание кода, т.е. детектирование
пробивки на ПК, выполняется узлом считывания.
Наиболее распространен фотоэлектрический способ считы¬
вания, при котором узел (5) состоит из излучателя (совокупность
светодиодов или проекционная лампа со светопроводом к каждой из
позиций) и фотоприемников. Электрический импульс возникает в
том случае, если световой поток от излучателя проходит сквозь
пробивку ПК и попадает на фотоприемник; при отсутствии пробивки
ток отсутствует.
Помимо фотоэлектрического, может использоваться емкостной способ считывания,
при котором каждая строка ПК перемещается между пластинками конденсаторов. При этом
. 12 конденсаторов включаются в мостовые схемы, посредством которых определяется изме¬
нение емкости конденсатора при нахождении между его пластинами пробивки или ма¬
териала ПК. Применяется также контактный способ считывания.
Усиленные и сформированные сигналы от узла считывания
подаются на информационные входы регистра узла БЗУ и преобра¬
зования кодов. Этот узел обеспечивает буферизацию, т.е. предостав¬
ляет возможность асинхронной передачи данных в ОП машины и
позволяет осуществлять преобразование кодов (КПК--12 в ДКОИ).
Считывание кода символа, т.е. передача сигналов от детекторов
пробивок на соответствующие разряды узла (2), осуществляется по
143
сигналам от узла синхронизации, сформированным при де¬
тектировании метки на диске. Узел считывания позволяет также
выработать два сигнала управления: сигнал отсутствия ПК в узле
считывания, который формируется при наличии сигналов от всех
детекторов, и сигнал ведущего края ПК, который формируется при
изменении состояния детекторов, когда край ПК перекрывает световой
поток. Увв с ПК выполняет две основные операции — чтение
информации с преобразованием кода символа (КПК-12) в ДКОИ и
чтение информации без преобразования кодов. Эти операции задаются
либо посредством управляющих слов ПВВ, либо посредством команд
записи соответствующих указателей в РгКС контроллера (в
зависимости от организации СВВ). Если в СВВ предусматривается
контроль неправильной длины, то для УВв с ПК устанавливается
значение длины в 80 байт при чтении с преобразованием кодов и
в 160 байт при чтении без преобразования кодов.
Контроль функционирования. В процессе выполнения операции
в УВв с ПК выполняются проверки состояния подающего кармана,
наличия ПК в тракте перемещения, правильности считывания и т.д.
Для этого в УВв предусматриваются дополнительные датчики и
логические схемы. Так, если операция чтения не завершена, а датчик
в подающем кармане указывает на отсутствие ПК, то вырабатывается
сигнал ошибки с указанием «карман пуст». Неисправности детекторов
считывания обычно выявляют по отсутствию сигнала с какого-либо
детектора, когда ПК нет в позициии считывания, при этом также
формируется сигнал с указанием «ошибка считывания».
При нормальной работе механизмов (1) и (2) передний край
ПК должен перекрыть все фотодетекторы через определенный
интервал времени после сигнала на захват ПК. Если сигнал,
соответствующий приходу переднего края ПК в позиции считывания,
не будет сформирован в установленый момент времени, то
формируется сигнал ошибки с указанием «неисправность механизма
перемещения». Формирование кодов символов и передача их в регистр
узла БЗУ и преобразователя кодов производится устройством
синхронно с внутренним циклом, соответствующим перемещению ПК
на расстояние между смежными колонками. Если за этот интервал
времени СВВ не успеет принять предыдущий код символа, то
сформируется сигнал ошибки с указанием «переполнение».
В некоторых УВв с ПК предусмотрен второй узел считывания,
который позволяет проверить правильность считанного кода. Этот
узел расположен на небольшом расстоянии от первого, причем
кратном целому числу интервалов между колонками ПК. Таким
образом, считывание кода символа посредством второго узла осуще¬
ствляется с задержкой на перемещение ПК между узлами. Все коды,
считываемые первым узлом, задерживаются с помощью регистра
сдвига, что позволяет сравнивать коды одного и того же символа
144
ПК, считанные обоими узлами. При несовпадении кодов вырабаты¬
вается сигнал ошибки данных. Для ускорения ввода в некоторых
устройствах перемещение ПК осуществляется широкой стороной
вперед, при этом считывается не колонка, а строка. Поскольку
передача информации в ОП осуществляется посимвольно, то в таких
УВв предусматривается «логический» разворот ПК. Для этого вначале
содержимое всей ПК построчно записывается в БЗУ, а после его
заполнения производится поколонное считывание. Для предотвра¬
щения потерь информации во время передачи содержимого БЗУ в
ОП предусматриваются два поочередно работающих модуля БЗУ
объемом на одну ПК каждый. При перемещении ПК широкой
стороной требуются более жесткие допуски на детали механических
узлов.
Технические характеристики наиболее распространенных УВв с
ПК приведены в табл.5.3; перемещение ПК в них производится узкой
стороной.
MJI и ГМД в качестве промежуточных носителей имеют ряд
преимуществ — обеспечивают возможность многократной записи, бо¬
лее высокие плотность и скорость ввода. Существенный недостаток
магнитных носителей заключается в невозможности визуального
контроля информации. Для подготовки данных на MJI и ГМД служат
системы подготовки данных (СПД), построенные на базе микроЭВМ,
а также ряд УПД, в которых широко используются МП. Это
позволяет произвольно устанавливать границы полей записи, осуще¬
ствлять автоматический поиск поля, контролировать допустимость
занесения каждого кода в текущее поле и правильность нанесения
информации на магнитный носитель путем контрольного считывания
и т.д. Для ввода информации в машину подготовленный магнитный
носитель устанавливают в стандартное ВЗУ или специальное УВв.
Принципы действия этих устройств и требования, предъявляемые к
расположению информации на носителе, рассмотрены в гл.8.
Примерами устройств и систем подготовки данных могут служить
УПД на МЛ ЕС 9004, УПД на ГМД ЕС 9075, многопультовые
системы СПД 9000 и ЕС 9003.
Т а б л и ц а 5.3
Модель УВв
Скорость ввода,
Тип механизма за¬
Емкость кармана,
ПК/мин
хвата
ПК
ЕС 6012
500
ножевой
100
ЕС 6019
1200
вакуумный
300
Использование промежуточных носителей обеспечивает более
полную загрузку ЦП, однако вызывает необходимость значительных
затрат ручного труда при подготовке данных, т.е. при кодировании,
контроле, редактировании. Участие в процессе подготовки человека
145
приводит не только к низкой производительности труда, но и к
значительному количеству вносимых им ошибок. Избежать отмечен¬
ных недостатков позволяет применение устройств автоматического
ввода.
5.4. Устройства автоматического ввода текстовой информации
Устройства автоматического ввода, или читающие автоматы
(ЧА), предназначаются для ввода текстовой информации с первичного
документа. При этом текстовая информация на первичном документе
представляется последовательностью алфавитно-цифровых символов,
напечатанных или написанных от руки на исходном носителе —
обычно листах бумаги; такая форма представления информации
пригодна для чтения человеком. Последовательности символов
располагаются в виде строк параллельно одной из кромок листа.
Различие коэффициентов отражения света от участков бумаги,
содержащих символ, и от чистых участков фона позволяет человеку
воспринимать напечатанный символ. Это различие коэффициентов
отражения света лежит в основе оптического способа восприятия
информации ЧА. Устройства автоматического ввода, использующие
оптический способ восприятия, называются оптическими читающими
автоматами (ОЧА). Существует также магнитный способ
восприятия изображений символов, имеющихся на первичном
документе. При этом знаки наносятся на носитель специальными
магнитными чернилами, которые обладают необходимыми
оптическими свойствами для восприятия символа человеком и
одновременно имеют магнитную проницаемость, существенно отлича¬
ющуюся от магнитной проницаемости чистой бумаги. Это позволяет
воспринимать информацию об изображении символов с помощью
специальных магнитных головок (МГ); устройства, реализующие этот
способ, называются магнитными читающими автоматами (МЧА).
В связи с широким распространением методов и средств телеобработки, а также сетей
ПЭВМ в последнее время интерес к универсальным ЧА несколько снизился. Однако ЧА,
ориентированные на специальные шрифты, находят все более широкое применение в таких
областях как торговля, почтовая связь, банковское дело.
Принцип автоматического чтения текстовой информации. За¬
дача ЧА состоит в последовательном распознаваниии и кодировании
каждого символа первичного документа для последующей передачи
полученного кода непосредственно в ОП ЭВМ или фиксации на
промежуточном носителе. Для решения этой задачи в ЧА должны
быть реализованы следующие функции:
— осмотр и восприятие изображения, в процессе которых
вырабатывается электрический сигнал, соответствующий графическо¬
му начертанию вводимого символа;
146
— выделение существенных признаков и составление описания
воспринятого изображения символа;
— распознавание символа, в процессе которого описание
воспринятого изображения вводимого символа сравнивается с
описаниями эталонов и принимается решение относительно соот¬
ветствия символа тому или иному эталону.
Осмотр и восприятие изображения. В процессе
осмотра (оптического или магнитного) изображения символа
производится его «дискретизация». Как правило, для этого
формируется развертка, при которой все поле изображения символа
как бы покрывается прямоугольной сеткой, что можно сравнить с
проектированием изображения на сетчатку глаза человека. Размер
ячеек сетки определяется используемыми кодами и разрешающей
способностью узла считывания ЧА. Каждой ячейке ставится в
соответствие некоторое число, характеризующее интенсивность отра¬
женного от данной ячейки света или величину сигнала от магнитной
головки. В простейшем случае может быть использовано всего два
уровня, обозначаемые «О» (участок фона) и «1» (ячейка, приходя¬
щаяся на элемент изображения). Опрос ячеек сетки производится в
фиксированном порядке и поэтому получаемая совокупность чисел
характеризует воспринимаемые изображения, т.е. является первона¬
чальным описанием. При осмотре изображения необходимо выполнить
ряд вспомогательных операций, таких, как захват докумета, отде¬
ление его от других документов, перемещение в позицию осмотра,
а также выравнивание строки документа относительно направления
развертки, нормирование размеров изображений символов,
центрирование их и т.д. Все операции, связанные с перемещением
документов, выполняются механическими узлами ЧА.
Операции по выравниванию строки, нормированию размеров и центрированию изоб¬
ражения символа могут производиться вручную, автоматически механическими узлами ЧА
или в процесссе предварительной обработки первоначального описания.
Операция выравнивания строки наиболее сложна для произволь¬
ных первичных документов; для формуляров эта операция упрощается
за счет прямых линий, параллельных строкам текста; для малофор¬
матных формуляров эта операция выполняется путем базирования
по одной из кромок документа. Операции нормализации размеров и
центрирования изображений совершенно необходимы при использо¬
вании обычных шрифтов и особенно при чтении рукописных
символов. Эти операции значительно упрощаются или необходимость
в них отпадает при использовании специальных шрифтов.
Выделение существенных признаков и со¬
ставление описания. Первичное описание изображения
символа составляется в процессе его восприятия, когда каждой клетке
сетки ставится в соответствие некоторое число, характеризующее ее
яркость. Однако объем информации в таком описании чрезмерно
147
велик и оно неудобно для обработки. Поэтому во многих случях
возникает необходимость во вторичном описании, т.е. выделении из
первичного описания ряда более информативных вторичных призна¬
ков. К их числу относят геометрические и топологические. Примерами
геометрических признаков могут служить прямой, вертикальный
штрих в изображении символа (например, в букве «Н»), дуга с
выпуклостью вправо или влево (например, в изображении цифр «9»
или «6»), штрих над или под строкой (например, в изображении
букв «р» и «h») и т.д. Примерами топологических признаков могут
служить замкнутые контуры различной связности, узлы различной
кратности и т.д. Так изображение буквы «О» характеризуется
контуром нулевой связности, цифры «8» — контуром первой связности
из-за наличия пересечения; в изображении буквы «А» можно
выделить два узла первой кратности (нижние концы), узел второй
кратности (вершина) и два узла третьей кратности (точки соединения
с горизонтальным штрихом).
Вторичные признаки должны выбираться так, чтобы описание
изображения символа однозначно его определяло и было по
возможности инвариантным к размерам и ориентации символа, а
также нечувствительным к небольшим полиграфическим дефектам.
Топологические признаки инвариантны к размерам и ориентации,
но весьма чувствительны к полиграфическим дефектам, например, к
разрывам линии изображения; они не позволяют различить такие
символы, как «9» и «6», открывающую и закрывающую скобки.
Геометрические признаки менее чувствительны к полиграфическим
дефектам, но не инвариантны к размерам, наклону и центрированию
изображения. Реальное вторичное описание, т.е. перечисление в
определенном порядке значений признаков, всегда включает в себя
элементы геометрического и топологического описаний.
Распознавание символа. Полученному описанию
изображения ставится в соответствие код символа из системы кодов,
принятой в ЭВМ. В памяти ЧА хранятся эталонные описания всех
распознаваемых устройством символов; каждому эталонному
описанию однозначно соответствует стандартный код одного символа
алфавита, являющийся как бы именем эталонного описания. В
процессе распознавания вычисляются меры сходства введенного
описания каждому эталону и принимается решение о принадлежности
вводимого символа эталону, для которого эта мера оказалась
максимальной. Последовательность логических и вычислительных
операций над описаниями вводимых символов и эталонными
описаниями, в результате которой описанию изображения ставится
в соответствие один из эталонов, называется алгоритмом распозна¬
вания. Он может быть реализован как программно-аппаратными
средствами ЧА, так и программными средствами ЦП. Алгоритм
148
распознавания упрощается и затраты времени на его реализацию
значительно сокращаются при уменьшении объема алфавита.
Из-за помех (типографские дефекты, плохое качество бумаги
и т.п.) полное совпадение описаний вводимого символа и одного из
эталонных обычно не происходит. Если значение меры сходства для
одного из эталонов значительно выше, чем для остальных, то
вводимому символу приписывается код-имя данного эталона. Если
значения меры сходства для двух или нескольких эталонов совпадают
или различаются незначительно, то ЧА оказывается неспособным
распознать предъявленный ему символ. По этим причинам ЧА
принято характеризовать:
— вероятностью (частотой) ошибок распознавания, т.е.
относительным числом неправильных решений;
— вероятностью (частотой) отказов от распознавания, т.е.
относительным числом символов, для которых ЧА не находит нужного
сответствия эталону.
Наиболее громоздкими являются описания для рукописных
символов; описания значительно упрощатеся, а вероятность ошибок
и отказов при распознавании уменьшается для специальных шрифтов.
Специальные шрифты для ЧА, Вид шрифта определяется
областью использования ЧА. Принято выделять кодированные,
стилизованные и нормализованные шрифты.
В кодированных шрифтах знаки представляют собой
различные комбинации точек или штрихов, наличие или отсутствие
которых и является признаками для составления описания. На
первичном документе каждое кодированное изображение символа,
воспринимаемое ЧА, часто сопровождается изображением, привычным
для человека. Обычно алфавит кодированных шрифтов ограничен
десятичными цифрами. Наиболее распространены так называемые
штриховые коды, используемые, в частности, в системах авто¬
матизированной продажи и учета товаров (на складах, в магазинах,
библиотеках). Рассмотрим некоторые способы кодирования с помощью
штриховых кодов.
Первый способ кодирования служит для записи 12-разрядного
десятичного числа, являющегося идентификатором изделия. Запись
числа, приведенная на рис.5.6,а, состоит из направляющих полосок
Л кодовых комбинаций темных и светлых полосок для цифр 2 и
надпечатки 5, содержащей обычные изображения цифровых символов.
Каждая цифра кодируется семью полосками — темными и светлыми.
Таким образом, общее число возможных комбинаций составляет 128.
В правой и левой половинах числового кода, разделенных направ¬
ляющими полосками, кодирование цифр различно, что дает возмож¬
ность определить направление чтения слева направо или справа
налево. Всего используются 20 различных кодовых комбинаций, а
108 являются недопустимыми. Наличие темной полоски в изобра¬
жении символа соответствует «1» в его описании, а светлой — «0».
149
„ 2345JJ67890
T U “'I
L33U5E,7fl
q 11
6)
ABCDEFGHIJKLM
NOPdRSTU VliIXY Z
□ 1Z345L.7A4
■ -i : i =+/$*"&I
'-■OXfJ’MH
и n a0ovEA^ ¥
"I,о'""i! II"'" it:;:
i nil II и I mi iinJi ''"in
ii S 7 о 9 Cl
ft IE! С D E: F Ci IN
I Л I':: ll.n И IN 0 I» Q
IR S 1" U V M X V 7,
Рис. 5.6 г)
Смежные темные или светлые полоски сливаются, образуя более
широкие полосы. В изображении каждой цифры всегда используется
две темных и две светлых результирующих полоски, причем для
левой половины числового кода в изображении каждой цифры
крайней левой полосой является светлая, а крайней правой — темная;
для правой половины числового кода — наоборот. Переходу от цифры
к цифре всегда соответствует переход от темной полосы к светлой.
Коды десятичных цифр, построенные по этому правилу, приведены
в табл.5.4. Коды в правой и левой половинах таблицы являются
инверсными. Для повышения достоверности считывания одна из шести
десятичных цифр в каждой половине числового кода используется в
качестве контрольной.
Таблица5. 4
Десятичная
цифра
Код половины
Десятичная
цифра
Код половины
левой
правой
левой
правой
0
0001101
1110010
5
0110001
1001110
1
0011001
1100110
6
0101111
1010000
2
0010011
1101100
7
0111011
1000100
3
0111101
1000010
8
0110111
1001000
4
0100011
1011100
9
0001011
1110100
150
Чтобы избежать ошибок, вызванных типографскими дефектами
и загрязнением изображения, считывание производится путем
перемещения нескольких светочувствительных детекторов пер¬
пендикулярно направлению штрихов. В описание символа заносится
«О» или «1» в соответствии с сигналами, поступающими от детекторов
для данной полоски по правилу большинства. Направляющие полоски
служат для определения начала и конца изображения, что делает
возможным получение описания, не зависящего от скорости переме¬
щения детекторов.
Второй способ кодирования использует чередующиеся темные
и светлые полоски различной ширины. Широкой полоске изображения
ставится в соответствие «1» в его описании, а узкой — «О». Общее
число полосок в изображении фиксируется (например, 5 — темных
и 4 — светлых). Изображение каждого символа начинается и
заканчивается темной полоской; между символами предусматривается
пропуск-пробел.
Оба описанных способа штрихового кодирования могут исполь¬
зоваться при ручном перемещении детекторов относительно изобра¬
жения, так как позволяют при составлении описания как бы
«нормализовать» скорость этого перемещения. Примером может
служить устройство считывания штрихового кода (считывающий
карандаш) СМ 6409, представляющего собой фотооптическую голо¬
вку, перемещаемую оператором вручную по штриховому изобра¬
жению вводимого числа. Головка подключается к ЭВМ посредством
контроллера и обеспечивает возможность использования штриховых
кодов EAN 13 и CODE 39, допустимую скорость перемещения 76 —
760 мм/с и разрешающую способность 0,3 мм. Очевидно, что для
нанесения штриховых кодов должны существовать специальные
устройства.
Стилизованные шрифты. Примеры таких шрифтов
для оптического (РОС-А по ГОСТ 16330-70, образованный добав¬
лением недостающих русских букв к шрифту OCR-А) и магнитного
(Е13В и СМС-7) считывания приведены соответственно на
рис.5.6, б, в, г.
Для МЧА, ориентированных на использование шрифта Е13В,
магнитная головка МГ, ширина которой превышает высоту символа,
с постоянной скоростью перемещается вдоль строки (рис.5.7).
Амплитуда А сигнала на выходе МГ пропорциональна площади
магнитных чернил, находящихся под головкой в каждый момент, т.е.
суммарной ширине всех горизонтальных отрезков в изображении
символа для текущего положения X головки относительно изобра¬
жения. Полученный сигнал преобразуется в цифровую форму и
каждому изображению символа ставится в соответствие фиксирован¬
ное количество чисел, отображающих амплитуду сигнала для
Различных положений МГ относительно изображения.
151
В коде СМС-7 отличительным призна¬
ком являются различные расстояния между
штрихами, нанесеными магнитными
чернилами.
МЧА применяются при обработке бан¬
ковских документов. Примерами могут
служить устройства 1259 и 1419 фирмы IBM,
обеспечивающие считывание цифровой
информации (объем алфавита 14 символов в
коде EI3B) со скоростью до 1600 документов
в минуту.
Для ОЧА одним из наиболее распрост¬
раненных является стилизованный шрифт
РОС-А. Первичное описание символа состав¬
ляется в соответствии с величиной сигнала,
получаемого при отражении света от отдель¬
ных элементов прямоугольной сетки;
вторичное описание представляет собой набор структурных признаков:
наличие или отсутствие вертикального, горизонтального или наклон¬
ного штриха и их взаимное расположение.
Нормализованные шрифты предназначаются для
нанесения изображений символов от руки в строго определенных
местах специально отведенного прямоугольника. Прямоугольники
предварительно печатаются на бланке документа тонкими или
цветными линиями, которые не воспринимаются фотодетекторами
при автоматическом считывании. Примером может служить шрифт
для нанесения почтового индекса.
Методы и алгоритмы распознавания символов в ЧА. Несмотря
на многообразие методов распознавания для ЧА, они характеризуются
следующими общими свойствами: во-первых, осуществляется распоз¬
навание разделенных межбуквенными промежутками символов,
причем каждого символа последовательно вне связи с другими
символами текста; во-вторых, распознавание символа базируется на
результатах сравнения его описания со всеми эталонными описаниями
символов используемого шрифта. Методы различаются выбором меры
сходства и анализируемыми признаками. В настоящее время наиболее
распространены два метода: корреляционный и распознавания по
вторичным признакам.
Корреляционный метод. Пусть анализируемое изоб¬
ражение символа «х» описывается последовательностью чисел,
характеризующих яркость каждого элемента сетки. Такое описание
можно представить в виде A-мерного вектора V(x), где N — число
точек сетки, а К — значение яркости г-й точки. Каждому символу
«а» алфавита А (а е А) соответствует исходное эталонное описание
е(а). Это описание также является вектором с элементами а (а)*
152
А А
[LUji
Рис. 5.7
Г1
ВВ1
ВВ2
ввз
ввь
ВВ5
гг
ВН1
ВН2
внз
внь
вив
ГЗ
Рис. 5.8
Из-за отличия освещенности изображения символа от идеальной и
наличия светового фона сравнение описания V(x) осуществляется не
с исходными, а с преобразованными эталонными.
Помимо изменений освещенности, существуют другие факторы,
вызывающие необходимость преобразования эталонных описаний,
например, смещение символа, его перекос относительно линии строки.
Назовем эти факторы у . Тогда яркость каждого элемента в
преобразованном эталонном описании определяется как
Ei (а, у) = a ei (а> у) + /?,
где а и /J — параметры, характеризующие изменение освещенности
и яркости фона, у — параметры, определяющие другие допустимые
преобразования. Преобразованный вектор
Е(а, у) = а е(а, у) + Р J
служит преобразованным эталонным описанием, где / — единичный
вектор.
В качестве меры сходства при корреляционном методе распоз¬
навания используют скалярное произведение вектора V(x) на
нормированную составляющую С(а, у ) вектора Е (а, у ),орто-
^нальную /.
Решение относительно соответствия символа «х» тому или иному
символуаеА принимается в соответствии с максимальным значением
Этого произведения, для чего необходимо выполнить следующие
Действия:
153
1) построить для первого символа алфавита все допустимые
преобразованные эталонные описания Е ( а, у ) и найти для них
скалярное произведение V(x) С {а, у ). Найти и сохранить макси¬
мальное значение этого произведения ( для всех у ), т.е.
max V(x) С(а> у );
2) повторить действия п.1 для исходных эталонных описаний
второго и всех последующих символов алфавита. Найти максимальное
значение среди всех сохраненных значений скалярных произведений
(для всех символов), т.е. max (max V(x)C(a, у ));
3) определить разность между максимальным значением и
ближайшим к нему значением скалярных произведений (для двух
различных эталонов) и сравнить с пороговым значением. Если
разность превышает пороговое значение, то символу «х» приписыва¬
ется значение «а», которому соответствует максимальное значение
скалярного произведения, в противном случае автоматическое рас¬
познавание невозможно.
Корреляционный метод требует значительных вычислений и
поэтому в ЧА он обычно используется в тех случаях, когда число
исходных эталонных описаний ограниченно (алфавит содержит менее
50-70 символов) и когда число допустимых преобразований
сравнительно невелико (менее 2000). Однако он может использоваться
для нестилизованных шрифтов, для которых затруднено распозна¬
вание по признакам.
Метод распознавания по вторичным приз¬
накам. Принятие решения распадается на два этапа:
1) выделяется признак и принимается решение о его наличии
в изображении;
2) принимается решение о соответствии анализируемого изоб¬
ражения тому или иному символу алфавита.
При принятии окончательного решения используются логические
или пороговые функции. Распознавание по признакам характерно
для ЧА, рассчитанных на применение стилизованных шрифтов.
Рассмотрим этот метод на примере распознавания цифровых символов
шрифта РОС-А, которое реализовано в ЧА ЕС 6031. Изображения
цифр и специальных символов шрифта РОС-А формируются
посредством вертикальных и горизонтальных штрихов. Признаком
считается наличие определенного вертикального или горизонтального
штриха (рис.5.8). Всего анализируется десять вертикальных (по 5
в верхнем ВВ1 — ВВ5 и нижнем ВН1-ВН5 радах) и три горизон¬
тальных Г1-ГЗ штриха. В результате осмотра и восприятия
изображения (при сканировании знака вдоль строки посредством
линейки фотодиодов) создается матрица из единиц и нулей: темному
элементу сетки соответствует единица, а светлому — нуль. Шаг сетки
таков, что каждому штриху соответствует по толщине два элемента
сетки. Это позволяет при анализе матрицы исключить влияние
154
некоторых дефектов печати — непропечаток, искажений штриха и
т.п. При выделении признаков анализируется полученная матрица.
Вертикальный штрих считается найденным, если в столбце матрицы
имеется непрерывная последовательность единиц, число которых
больше числа единиц Nr , соответствующего толщине горизонтального
штриха. Горизонтальные штрихи обнаруживаются при наличии
непрерывной последовательности единиц в строке матрицы, число
которых должно превышать число единиц Nr , соответствующее
наиболее широкому вертикальному штриху. Каждому найденному
штриху во вторичном описании изображения ставится в соответствие
единица, а ненайденному — нуль. Таким образом, вторичное описание
представляет собой двоичный 13-разрядный код
ВВ1...ВВ5,ВН1...ВН5,Г1,Г2,ГЗ. Для символа 1 этот код запишется
как 0010000101101.
Чтобы окончательно определить, какому символу соответствует
анализируемое изображение, полученный код сравнивается с кодами-
эталонами всех символов алфавита. При точном совпадении с одним
из эталонов его имя приписывается вводимому символу; в противном
случае ЧА формирует сигнал отказа от распознавания. При большом
числе признаков возможно сделать вторичное описание избыточным.
При этом значение вводимого символа устанавливается не в
результате точного совпадения кода вторичного описания с кодом
эталона, а по наименьшему кодовому расстоянию. Правила принятия
решения здесь аналогичны правилам исправления ошибок при
использовании избыточных кодов.
Операции выделения вторичных признаков значительно усложняются при наличии
наклонных штрихов и криволинейных отрезков.
Структура и основные узлы ЧА. Структурные схемы и
конструкции ЧА весьма разнообразны и определяются способом
восприятия информации, видом документа, алгоритмами распозна¬
вания символов, аппаратно-программными способами реализации
этих алгоритмов, механизмами захвата и перемещения документов,
способами сканирования для получения сетки на изображениях
символов и многими другими характеристиками.
На рис.5.9 приведена одна из возможных структурных схем
ОЧА. Устройство захвата (УЗ) отделяет верхний документ из стопки
и передает на вращающийся барабан (Б). Наиболее часто УЗ
Реализуют в виде штанг с вакуумными присосками. Чтобы не
пРоисходило захвата нескольких документов, применяют «раздув»,
т-е. направляют струю воздуха на торец стопки документов. Подача
Документа осуществляется роликовым или ременным транспортером.
Документ подается так, чтобы строка располагалась по окружности
барабана; тогда при его вращении последовательность символов одной
^Роки проходит под считывающей головкой (СчГ). Для перехода к
155
Рис. 5.9
следующей строке необходимо переместить СчГ на один шаг; обычно
для этого используется шаговый двигатель ШД.
Считывающая головка представляет собой осветитель и линейку
фотодиодов, расположенную вертикально относительно строки. Линей¬
ка фотодиодов и вращающийся барабан позволяют получить сетку
изображения символа.
Применяют и другие механизмы: ЭЛТ со сканированием луча,
лазерные устройства и т.п..
Сигнал от СчГ попадает в блок предварительной обработки
(БПО), где формируется предварительное описание изображения. Это
описание передается в специализированное вычислительное устрой¬
ство (СВУ), а код распознанного в нем символа — в устройство
сопряжения с ЭВМ (УС). СВУ не только обнаруживает и распознает
символы заданного шрифта, но и определяет начало текста
(положение первого символа в строке) и пропуски между символами.
Пропуск может рассматриваться как особый символ, в котором темные элементы отсут¬
ствуют по крайней мере в двух смежных столбцах сетки.
Устройство управления (УУ) осуществляет синхронизацию рабо¬
ты всех узлов, переключает режимы при отказе от распознавания,
при поиске строки и т.д. Приведем некоторые характеристики
типичных ОЧА.
1) ЕС 6031 (Бланк-3) предназначен для считывания цифр и
специальных символов шрифта РОС-А с формуляров размером до
210x297 мм. Скорость считывания — до 400 документов/мин при
частоте ошибок 0,001% и частоте отказов от распознавания 0,01%.
Распознавание выполняется путем анализа структурных признаков.
2) ЕС 6037 позволяет считывать все символы шрифтов пишущих
машинок «Оптима» и «Ятрань» и ряда ПчУ с произвольных
документов форматов АЗ, А4, А5. Скорость считывания — до 300
зн/с при частоте ошибок 0,005% и частоте отказов от распознавания
0,02%. В устройстве реализован корреляционный метод с последу-
ющим уточнением распознавания по структурным признакам.
156
Частота отказов от распознавания для ЧА обычно на порядок
выше частоты ошибок. Это достигается соответствующей установкой
пороговых значений для меры сходства. В случае отказа от
автоматического распознавания неопознанный символ ОЧА передается
для распознавания человеку-оператору, для этого большинство ОЧА
комплектуют специальными проекционными системами и клавиату¬
рой. Однако вмешательство оператора снижает скорость ввода.
5.5. Устройства регистрации текстовой информации
Устройства регистрации текстовой информации включают в себя
многочисленную группу печатающих устройств (ПчУ), а также
устройства вывода на микрофильм. К ПчУ принято относить УВыв
на носитель, которым человек может пользоваться без каких-либо
дополнительных средств. В качестве носителя применяется обычная
или специальная бумага. В устройствах микрофильмирования исполь¬
зуют фотопленку, восприятие информации с которой возможно только
с помощью специальной проекционной техники. Многие современные
ПчУ и устройства микрофильмирования позволяют регистрировать
не только текстовую, но и графическую информацию.
Классификация и основные характеристики ПчУ. Широкое
распространение ПчУ обусловлено удобством пользования для чело¬
века документальной формой представления информации на бумаге
в виде текста и графики, возможностью сохранения вне машины в
течение длительного времени информации в готовом для непосред¬
ственного использования виде, возможностью распространения инфор¬
мации среди пользователей без применения каких-либо специальных
средств, развитостью методов получения печатного вида текстовой
информации, сравнительно низкой стоимостью аппаратуры, возмож¬
ностью формирования документа в произвольные моменты, что
особенно важно при пакетном режиме обработки в ЭВМ. Вывод
текстовой информации посредством ПчУ не лишен и ряда недостат¬
ков—сравнительно высокой стоимости однократно используемого
носителя (бумаги), сложности организации и громоздкости систем
хранения информации в печатном виде.
Классификация ПчУ. ПчУ принято классифицировать
следующим образом:
— по способу регистрации, т.е. по физическим или химическим
пРоцессам, используемым в устройстве для получения видимого
Изображения на носителе;
— по способу формирования изображения; в соответствии с ним
все ПчУ принято делить на знакопечатающие (или полно-
пРофильные), для которых изображение выводимых символов непре¬
рывно, и знакосинтезирующие (матричные), для которых изображение
157
формируется из более мелких элементов (точек, штрихов) в процессе
вывода;
— по числу символов, изображения которых формируются на
носителе в одном такте работы ПУ; принято различать последова¬
тельные и параллельные (построчные и страничные) ПчУ.
Основые требования к характеристикам
ПчУ. Ими являются: высокое качество печати, возможность
использования различных шрифтов, получения многоцветного изоб¬
ражения, нескольких копий, высокое быстродействие и низкая
стоимость. Указанные требования могут быть противоречивыми.
Качество изображения принято оценивать контрастностью и
разрешающей способностью. Контрастность D определяет различие в
отражающих свойствах наиболее темного (светлого) участка изобра¬
жения и фона:
D = lg(On — Фф )/Фп,
где Ф„ — отражаемый световой поток от единицы поверхности учас¬
тка изображения, а Фф—поверхности фона.
Разрешающая сйособность R определяет максимальное число
различимых элементов изображения на единице длины бумаги.
Отметим, что разрешающая способность невооруженного глаза
человека на расстоянии наилучшего видения (около 25 см) составляет
6,3 линии/мм.
Способы регистрации. Для формирования видимого изображения
на носителе используют ударный, струйный, термический, электро¬
фотографический, а также ряд других способов.
Ударный способ регистрации основан на перене¬
сении части красящего вещества на бумагу вследствие контакта,
возникающего при ударе. Обычно этот способ реализуется одним из
следующих вариантов (рис. 5.10). Красящее вещество наносится на
ленту 2, которая размещается перед бумагой 5. Молоточек 1 ударяет
по красящей ленте и через нее по бумаге и опоре-наковальне 4 —
рис.5.10,а, либо по бумаге и через нее по красящей ленте и
наковальне — рис.5.10,б. Элемент изображения формируется (т.е.
осуществляется перенос красителя на бумагу) в тех местах, где при
ударе возникает достаточное контактное давление.
Для избирательного создания контактного давления элемент
изображения наносится в виде выступающего рельефа на молоточек
(а) или опору-наковальню (^6Л Возможен также вариант, когда
рельефы одновременно наносятся и на молоточек, и на наковальню;
тогда на бумаге получается изображение, соответствующее пересе¬
чению этих рельефов. Если нанесенный на молоточек или наковальню
рельеф соответствует изображению полного символа, то на бумаге
его контур получается в процессе одного удара (знакопечать); если
рельеф соответствует точке или штриху, то для получения контура
158
-Zl-J
1 J'
6)
V2
Рис. 5.10
символа производится несколько ударов
(знакосинтезирование). Совокупность
элементов ПчУ, содержащих рельефы
символов, принято называть шрифто¬
носителем. Если шрифтоноситель во
время удара совершает движение, кото¬
рое не совпадает с направлением удара,
то печать называют печатью «на лету».
Возникающее смазывание из-за конеч¬
ной длительности удара ухудшает раз¬
решающую способность и ограничивает
допустимую скорость печати.
Ударный способ регистрации обеспечивает высокое качество
изображения, возможность одновременного получения несколькх
копий и использования обычной бумаги. К недостаткам следует
отнести сравнительно малое быстродействие, высокую шумность,
сложность или невозможность получения многоцветных изображений.
Струйный способ регистрации основан на
избирательном окрашивании символа на бумаге с помощью струи
жидкого красителя, который выбрасывается в виде струи из сопла
или нескольких сопел под воздействием импульсного или статического
избыточного давления. Возможны две разновидности струйного
способа.
При первой разновидности способа (рис. 5.11,а) выброс струи
производится только в тот момент, когда сопло 2 направлено в
нужную точку изображения. Перемещение сопла или наличие
нескольких сопел позволяет синтезировать контур в виде мозаики
отдельных точек. Наличие нескольких сопел создает, кроме того,
предпосылки для получения многоцветного изображения. Импульсное
давление в сопле создается пьезоэлектрическим элементом 1. Подвод
красителя к соплу осуществляется из резервуара 4 посредством насоса
3. Такая разновидность способа регистрации обеспечивает сравнитель¬
но высокое качество печати и возможность создания устройств
последовательной печати с быстродействием в несколко сот символов
к секунду.
При второй разновидности способа (рис.5.11,6), из сопла 2
набрасывается непрерывная струя, немедленно распадающаяся на
отдельные капли. Выброс струи обеспечивается пьезодатчиком 7, на
Который подается постоянный высокочастотный сигнал (около 100
*Гц). Капли струи приобретают электрический заряд при прохож¬
дении зарядной камеры 5, а затем посредством пластин 6
Электрическим способом отклоняются аналогично электронному пучку
в ЭЛТ. Изменяя напряжение на отклоняющих пластинах, можно
Формировать контур изображения на бумаге. Лишний краситель
собирается отражателем 7 и после фильтрации фильтром 8 вновь
159
Рис. 5.11
возвращается в резервуар (4) и подается к соплу насосом (3).
Основной недостаток струйного способа регистрации заключатся в
подверженности сопел загрязнению. Для предотвращения загрязнения
используют специальную жидкость, подаваемую в сопло отдельной
системой по окончании цикла печати, что однако удорожает ПчУ.
Термический способ регистрации основан на
способности ряда веществ изменять свои физико-химические свойства
при нагревании свыше некоторой критической температуры. Обычно
регистрация производится на специальном носителе — бумаге,
пропитанной термокрасителем. При нагревании выше критической
температуры в нем происходит химическая реакция, в результате
которой меняется цвет. Для формирования изображения используется
специальная термоголовка, соприкасающаяся с термобумагой. Головка
представляет собой керамическую подложку, на поверхность которой
нанесены нагревательные элементы-резисторы. Каждый резистор
служит для формирования на бумаге одного элемента изображения
контура; таким образом, при термическом способе регистрации всегда
реализуется знакосинтезирование. Резисторы могут быть расположены
по вертикали или по горизонтали; существуют термоголовки,
содержащие полную матрицу элементов символа (5x7).
В последнее время появились ПчУ, в которых стандартная
термоголовка служит для нагревания ленты с красящим веществом;
это вещество при определенной температуре размягчается и проникает
в поры обычной бумаги, формируя изображение. Ведутся работы по
созданию специальных красящих лент с проводящей основой, при
использовании которых роль головки сводилась бы только к передаче
электротока в нужном месте изображения, а нагревание происходило
бы за счет объемного сопротивления красящей ленты. В устройствах,
использующих термический способ регистрации, отсутствуют ме¬
ханически подвижные элементы (кроме механизма транспортировки
160
бумаги), что обеспечивает стойкость к ударным нагрузкам, высокую
надежность и бесшумность. Однако этот способ не обеспечивает
высокого качества печати и быстродействия, что объясняется
отсутствием резкой границы между нагретыми и ненагретыми
участками носителя из-за его теплопроводности и необходимостью
охлаждения головки. Обычно применение этого способа ограничено
ПчУ последовательного действия для абонентских пунктов, ПЭВМ и
ЭВМ, устанавливаемых на подвижных объектах.
Электрофотографический способ регистра¬
ции используется в ПчУ с быстродействием от 8 до 250 страниц/мин
(до 20-80 тыс.строк/мин), его разрешающая способность составляет
около 10 линий/мм. Способ основан на явлении местного разрушения
электростатического заряда, созданного в слое полупроводникового
материала, под действием света. Разновидность способа, использую¬
щего в качестве источника света управляемый лазер, часто называют
лазерным способом регистрации. Суть его поясняется рис.5.12,а.
Барабан или лента 4 из фотопроводника, который в темноте
является изолятором, заряжается вследствие образования на его
поверхности слоя положительных ионов под действием ионизатора 6.
При попадании на поверхность барабана луча света 7 слабосвязанные
ионы рассеиваются. Таким образом, если избирательно осветить
поверхность барабана, то на ней можно создать «скрытое электро¬
статическое» изображение, формируемое лучом от источника лазер¬
ного излучения 7, модулируемого модулятором 9. Растр на
поверхности барабана образуется за счет вращения многогранного
зеркала 8 и барабана 4; изображение формируется в виде отдельных
точек. Скрытое электростатическое изображение «проявляется» путем
осаждения на положительно заряженные участки поверхности отрица¬
тельно заряженных частиц красителя 7. Затем «проявленное»
изображение переносится на бумагу 2, где краситель фиксируется
путем термосилового закрепления 5. Поверхность барабана очищается
5, подготавливается для формирования скрытого изображения следу¬
ющего кванта информации, выводимого из машины.
На рис.5.12,6 приведена схема получения скрытого электро¬
статического изображения на поверхности барабана 5, в которой
использован более дешевый источник света — газоразрядная лампа
Свет от этой лампы расщепляется на отдельные лучи с помощью
системы оптоволоконных световодов 2; каждый луч модулируется
независимо от других посредством индивидуального жидкокристал¬
лического затвора. Совокупность этих затворов выполнена в виде
еДиной панели 3. Затем оптическая фокусирующая матрица 4
Формирует отдельные модулированные пучки света так, что на
Поверхности барабана образуется горизонтальный ряд точек строки
Изображения. Развертка по вертикали обеспечивается вращением
барабана.
6 - 836 161
L°>
СК
ТК
5}
Электростатический способ регистрации
использует скрытое электростатическое изображение, формируемое
под воздействием коронного разряда посредством ряда электродов.
Изображение формируется на промежуточном носителе — барабане
или ленте с диэлектрическим покрытием — или на специальной
многослойной бумаге. Обычно систему электродов, включающую в
себя электроды возбуждения, управляющие и экранирующие элект¬
роды, строят таким образом, чтобы с их помощью можно было
сформировать один горизонтальный ряд точек одной строки.
Вертикальная развертка осуществляется за счет перемещения
носителя. Проявление скрытого изображения и последующее закреп¬
ление его на бумаге осуществляется так, как описано при
электрофотографическом способе. Рассматриваемый способ позволяет
исключить сложную оптическую систему, сократить число подвижных
узлов и уменьшить размеры устройства по сравнению с электрофо¬
тографическим способом. Ограничения данного способа связаны с
необходимостью использования коммутируемых высоковольтных элек¬
тродов для формирования изображения. При этом быстродействие и
разрешающая способность несколько ниже, чем при лазерной печати.
Использование способа для получения изображения непосредственно
на оконечном носителе — специальной бумаге — сдерживается ее
высокой стоимостью.
Феррографический способ регистрации осно¬
ван на создании с помощью МГ скрытого магнитного изображения
на поверхности барабана или ленты с магнитным покрытием. Под
действием магнитного потока в зазоре головки в слое магнитотвердого
материала (Co-Ni) создается скрытое изображение. Оно проявляется
ферромагнитным красящим веществом, переносимым затем на бумагу
так же, как и при электрофотографическом способе. Преимущество
способ—простота по сравнению с электрофотографическим способом;
основные трудности реализации связаны с технологией изготовления
162
МГ и покрытия барабана. Быстродействие при лазерном и ферро-
графическом способах примерно одинаково, однако разрешающая
способность феррографического способа несколько ниже.
По разным причинам другие способы регистрации широкого
распространения не получили. Отметить следует лишь «перьевой»
способ, который применяется в устройствах регистрации графической
информации. Способ основан на капиллярных свойствах пишущего
органа; краситель из резервуара по капиллярам пера, фломастера
или шарикового стержня переносится на бумагу при наличии
механического контакта пишущего органа с ней.
Способы формирования изображения символов. Контур напе¬
чатанного символа может быть непрерывным или состоящим из
отдельных элементов — точек или штрихов. Символы с непрерывными
очертаниями контура принято называть полнопрофильными, а
состоящие из отдельных элементов — матричными.
Для получения полнопрофильного изображения
символов предусматривают специальный шрифтоноситель, пред¬
ставляющий собой набор полнопрофильных изображений (литер) всех
подлежащих печати символов. Изображение символа на бумаге
получается путем выбора необходимой литеры шрифтоносителя и
переноса ее изображения на бумагу. Перенос изображения на бумагу
реализуется двумя способами:
1) посредством удара (поэтому полнопрофильное изображение
символов характерно для ударных способов регистрации);
2) непрерывным перемещением «пишущего» органа по контуру
символа в процессе печати (так формируется изображение при
электрофотографическом способе регистрации, когда модулированный
луч света очерчивает непрерывный контур, а также при фотографиче¬
ском, струйном и перьевом способах).
Основным узлом, определяющим конструктивные особенности
ПчУ и функции управления при полнопрофильном изображении
символов, является шрифтоноситель. Наиболее распространенными
видами шрифтоносителей являются цилиндрические и сферические
головки, лепестковые носители в виде ромашки или корзинки для
последовательных ПчУ и барабаны и ленты для параллельных ПчУ.
Кратко рассмотрим основные виды шрифтоносителей.
На сферической головке (рис.5.13,а) литеры располагаются на
поверхности в несколько (обычно четыре) рядов. Печать символа
производится в два этапа. На первом этапе в результате дешифрации
*ода символа вырабатываются сигналы для поворота головки 4 вокруг
°си на угол а и наклона на угол б; эти углы соответствуют положению
символа на головке относительно ее исходного положения. В
Результате поворота и наклона головки (посредством системы рычагов
** тяг) литера выбранного символа оказывается в позиции печати.
На
втором этапе головка используется в качестве молоточка для
163
Рис. 5.13
удара по красящей ленте 3 и бумаге 2. Расстояние между головкой
и валиком 1 может составлять менее 1 мм, что обеспечивает
быстродействие до 15 знаков/с. Сферические головки позволяют
получить высокое качество печати, а также заменять шрифт путем
смены головки. Головка изготавливается из металлизированной
пластмассы; масса головки составляет около 9 г. Для печати
следующего символа головка перемещается на один шаг вдоль строки.
В лепестковых носителях функции молоточка и шрифто¬
носителя 6 разделены (рис.5.13,6). Литера 5 располагается на гибком
упругом лепестке диска (ромашка) или корзинки; шрифтоноситель
находится между молоточком 7 и красящей лентой 5. Печать символа
также осуществляется в два этапа. На первом производится поворот
диска на угол, соответствующий расположению символа относительно
текущего положения диска. В результате литера выбранного для
печати символа оказывается в позиции печати. На втором этапе
подается сигнал на электромагнит молоточка — молоточек ударяет
по лепестку, лепесток — по красящей ленте и бумаге 2. Диск с
приводом и молоточек с электромагнитом возбуждения располагаются
на подвижной каретке, которая перемещается вдоль строки. Для
уменьшения массы и обеспечения необходимых значений упругости
лепестковые шрифтоносители изготавливают из пластмассы. Носитель
в виде корзинки позволяет разместить большее число литер, однако
требует больше места и менее удобен в обращении. Лепестковые
164
шрифтоносители допускают быструю замену для смены шрифта; они
распространены в ПчУ для микро- и миниЭВМ и обеспечивают
быстродействие до 60 знаков/с и обладают низкой стоимостью. Однако
в последнее время такие ПчУ вытесняются матричными.
Все рассмотренные шрифтоносители обеспечивают статическую
печать, при которой во время удара отсутствует боковое смещение
шрифтоносителя относительно бумаги. В параллельных ПчУ с
полнопрофильными очертаниями символов печать производится «на
лету», т.е. при непрерывном перемещении шрифтоносителя. На
рис.5.13,0 показана схема печати «на лету» при использовании
ленточного шрифтоносителя 8. Для каждой позиции печати на строке
предусматривается отдельный молоточек 7 с независимым возбуж¬
дением. Срабатывание молоточка происходит в тот момент, когда
код символа, подлежащего печати в данной позиции, совпадает с
кодом литеры шрифтоносителя, проходящей под данным молоточком.
Подробно управление параллельным ПчУ рассмотрено далее.
Матричное изображение символа представляет
собой комбинацию отдельных точек, внешне напоминающую очер¬
тание символа. Изображение любого символа формируется в процессе
печати путем выбора надлежащей комбинации точек из совокупности
точек, образующих прямоугольную матрицу.
Матричное изображение символа используется как для последо¬
вательных, так и для параллельных ПчУ. Регистрирующие органы
(печатающие иголки, сопла, терморезисторы, электроды) располага¬
ются в ряд по вертикали, что характерно для последовательных ПчУ,
или по горизонтали — для параллельных ПчУ. Если регистрирующие
органы размещаются в «печатающей» головке вертикально, то
матрица точек формируется за счет перемещения головки вдоль
строки с шагом, равным шагу матрицы. В параллельных ПчУ матрицы
символов создаются за счет перемещения бумаги. Матричный способ
обеспечивает достаточно высокое качество печати (при размерах
матрицы 7x9 и выше), электронную замену шрифтов, возможность
получения цветного изображения. Одно из самых больших достоинств
этого способа заключается в возможности использования аппаратуры
Для вывода графических изображений. Последовательные матричные
ПчУ распространены в качестве У Выв для мини- и микроЭВМ,
ПЭВМ. Быстродействие устройств зависит от способа регистрации и
изменяется от 80 до 200 симв/с.
Последовательные ПчУ. За один полный цикл работы на бумаге
в последовательных ПчУ формируется изображение лишь одного
символа в очередной позиции строки. Вследствие этого механические
Узлы последовательных ПчУ сравнительно просты и стоимость
Устройств невелика, однако они обладают и сравнительно малым
г^стродействием. Повышение производительности последовательных
ПчУ достигается не за счет усложнения механических узлов, а за
Счет оптимизации перемещений при управлении от встроенных МП.
165
<=
УСИ
ВОЗУ
УУ
УФР
ZJ~
УПК
УПБ
уде
дв
■1
эм
Ll
jM
ДтпдТ\
Рг тпд III
- ♦
АЛ У
рИЕ
—Н РгС
Рис. 5.14
Рис. 5.15
Их подключение к машине производится через унифицированные
малые интерфейсы.
В состав последовательного ПчУ входят следу¬
ющие основные узлы (рис.5 Л 4): формирования и регистрации
изображения символа на бумаге (УФР); перемещения каретки вдоль
строки (УПК); подачи бумаги (УПБ); буферной памяти (БЗУ);
управления и синхронизации (УУ); сопряжения с интерфейсом
(УСИ).
Узел управления формированием и регистрацией изображения
(УФР). При статическом полнопрофильном способе формирования
изображения этот узел служит для перемещения шрифтоносителя в
положение, при котором возможна регистрация выбранного символа;
при печати «на лету» — определяет момент выдачи управляющего
сигнала на молоточек регистрирующего устройства.
Функции этого узла рассмотрим более подробно на примере
лепесткового шрифтоносителя. В состав узла входят (рис. 5.15)
двигатель со схемой управления (УДв), датчик текущего положения
диска (ДТПД), логическая схема (АЛУ) и узел управления
электромагнитом молоточка (ЭМ). В АЛУ из регистра текущего
положения диска РгТПД поступает код символа, литера которого в
данный момент находится напротив молоточка. В эту же схему из
регистра символа печати РгС поступает код символа, подлежащего
печати. АЛУ производит вычитание кодов; полученная разность
соответствует углу, на который необходимо повернуть диск для
получения оттиска нужного символа. Для повышения быстродействия
поворот диска осуществляется по кратчайшему расстоянию по часовой
стрелке или против. Разность кодов (с учетом знака для определения
направления поворота диска) подается на схему УДв.
В качестве двигателя используют либо шаговые, либо ма-
лоинерционные двигатели постоянного тока. Основным компонентом
166
схемы управления двигателем постоянного тока служит ЦАП, который
формирует сигнал на обмотку возбуждения, пропорциональный
разности адресов. Диск датчика текущего положения и диск
шрифтоносителя закрепляются на оси двигателя; ДТПД выполняет
функции преобразователя угла поворота вала в цифровой код. В
процессе поворота шрифтоносителя сигналы от датчика изменяют
содержимое РгТПД в соответствии с текущим положением диска.
Литеры на диске шрифтоносителя, т.е. на «лепестках» ромашки,
размещают при этом в порядке возрастания кодов. В момент, когда
содержимое РгТПД и РгС совпадут, вырабатывается сигнал останова
и удержания двигателя в этом состоянии; после остановки двигателя
подается сигнал на ЭМ молоточка. Наличие направляющих позволяет
во время удара молоточка по лепестку скомпенсировать возможные
незначительные отклонения его положения относительно средней
линии знакоместа на бумаге. В схеме УДв предусматриваются
средства для ускорения, разгона, останова и для удержания двигателя
в неподвижном положении во время удара молоточка.
Перечисленные функции реализуются более простыми аппарат¬
ными средствами при применении шаговых двигателей (ШД).
Наиболее распространены ШД с четырьмя парами обмоток в статоре.
Управление ШД осуществляются путем коммутации тока в этих
обмотках; порядок коммутации определяется требуемой функцией и
графической характеристикой (зависимостью момента от угла пово¬
рота ротора) ШД. На вход схемы управления ШД от АЛУ подается
код разности текущего и требуемого положений шрифтоносителя, а
также сигналы разрешения-запрещения движения и направления
вращения. В схеме управления ШД используют генератор с частотой
16-32 кГц. Шаг угла поворота в применяемых ШД составляет 1,875°,
таким образом, при 48 литерах на диске переход от литеры к литере
требует четырех шагов ШД.
При матричном способе узел формирования изображения
вырабатывает сигналы управления на исполнительные органы
регистрации отдельных элементов (точек) контура. Основой этого
узла служит знакогенератор — ПЗУ, в котором хранятся описания
всех регистрируемых изображений символов, т.е. кодовые
комбинации, в которых «1» соответствует наличию точки в
изображении, а «О» — ее отсутствию. В последовательных ПчУ
регистрирующие органы наиболее часто располагают в головке по
вертикали, что позволяет одновременно регистрировать элементы
одного столбца матрицы. Поэтому в знакогенераторах предусматрива¬
лся возможность получения описания каждого столбца за одно
°бращение (рис.5.16). Адрес (А) описания столбца в ПЗУ формируется
Из трех компонентов — базового адреса Ашр (может выдаваться
пРограммно и определяет используемый шрифт при наличии в ПЗУ
°писаний нескольких шрифтов), порядкового номера символа в
167
Фтт
Головка
РгД
1
0
-►
0
0
1
0
0
-►
0
-*►
_1_
X = 6
Рис. 5.16
алфавите X (код символа) и номера текущего столбца матрицы I,
т.е. Ашр = А + X + I. Код символа поступает в знакогенератор из
БЗУ, а номер текущего столбца — от датчика перемещения каретки
устройства.
Узел перемещения каретки (УПК на рис. 5.14) содержит
двигатель со схемами управления, датчик текущего положения
каретки, а также направляющие. Используются как шаговые
двигатели, так и серводвигатели постоянного тока. Шаг перемещения
каретки зависит от способа формирования изображения символа: при
полнопрофильном способе шаг соответствует интервалу между
символами на бумаге, а при матричном — интервалу между соседними
столбцами матрицы. Стандартный интервал между символами на
бумаге составляет 2,54 мм; при использовании шагового двигателя
можно реализовать программный выбор шага. Непосредственный
привод каретки осуществляется зубчатым ремнем или проволочным
тросиком.
Датчик текущего положения каретки преобразует механическое
перемещение ее вдоль строки в цифровой код. Конструктивно он
выполняется в виде зубчатой рейки и фотодетектора или в виде
диска на оси двигателя привода каретки. Информация от датчика
поступает в блок управления (УУ) для выборки очередного символа
из БЗУ. Управление работой двигателя аналогично описанному
управлению перемещением шрифтоносителя. Однако на схему
168
б)
Рис. 5.17
управления ШД здесь подаются сигналы вперед-назад и разрешения-
запрещения движения от АЛУ и сигналы от датчика угла поворота
двигателя. Сигнал вперед-назад служит командой на поворот ШД
на один шаг, который соответствует перемещению каретки на
расстояние одного интервала между соседними столбцами матрицы
символа. Таким образом, если сигналы разрешения/запрещения
формируются АЛУ, то предоставляется возможность каждому символу
на бумаге ставить в соответствие различное число шагов поворота
ШД, т.е. управлять плотностью расположения символов на бумаге.
Узел подачи бумаги (УПБ). Используется бумага трех типов:
рулонная, фальцованная и в виде отдельных листов. Отдельные листы
с ручной закладкой в ПчУ используют в ПЭВМ. Перемещение бумаги
1 осуществляется посредством трения с помощью ведущего 2 и
прижимного 3 роликов (рис.5.17,а), либо посредством зубчатой подачи
(рис.5.17,б). Для зубчатой подачи используется бумага с
отперфорированными по краям отверстиями 4. Зубчатый привод
может быть реализован в виде зубчатых колес на ведущем валике
Для устройства средней производительности или двух зубчатых
бесконечных ремней для устройств более высокой производительности.
Зубчатая подача обеспечивает отсутствие проскальзывания между
приводным механизмом и бумагой или между несколькими слоями
бумаги при получении нескольких копий. Отсутствие проскал ьзы-
вания позволяет сохранить постоянство размеров страницы при печати
169
Рис. 5.18
на длинных «лентах» бумаги, сравнительно просто реализовать
управление вертикальным форматом.
В приводе бумаги также часто используются ШД, но с тремя
парами обмоток статора, шаг которых составляет 3,75° или 7,5°.
Схемы управления такими ШД несколько проще; на рис.5.18 показан
пример такой схемы. Код требуемого перемещения бумаги (Х1,...,Хп)
и сигнал управления движением вперед-назад (F-R) подаются от
логических схем контроллера на приемный регистр (Рг) и вентили:
управления направлением движения (И) соответственно. Кроме того,
на схемы управления током ШД (УТ) поступает сигнал разреше¬
ния-запрещения перемещения (М-S). Удержание ротора ШД в
стационарном состоянии осуществляется током 0,3 А; перемещение
— током около 1А. Коммутация тока в обмотках осуществляется
посредством счетчика (Сч), выполненного по схеме Джонсона,
временяформирующих цепей (Ф) и усилителей мощности (УМ). На
Сч при повороте ШД на один шаг подается сигнал исполнения от
датчика перемещения бумаги. Этот же сигнал используется для
обновления содержимого Рг.
Буферные ЗУ служат для согласования скоростей приема
информации из интерфейса и выполнения действий в устройстве.
Минимальный объем БЗУ — один символ. В современных ПчУ объем
БЗУ обычно соответствует двум строкам символов на бумаге. Это
позволяет прием второй строки из машины совместить с печатью
первой, а также выполнить ряд других функций.
Узел управления и синхронизации (УУ, рис. 5.14) выполняется
на основе специальных МП, называемых однокристальных микроЭВМ.
Такой МП включает (в одном корпусе) собственно процессорный
блок, небольшое ПЗУ для хранения программ (объемом 2-4 Кбайт),
ОЗУ объемом 128-256 байт для хранения промежуточных результатов
и буферизации принимаемых символов, несколько портов ввода-вы¬
вода, счетчика-таймера, схемы прерываний и регистры задания
режимов. Характерным примером МП может служить отечественный
МП КР1816ВЕ. Порты ввода-вывода МП соединены со схемами
170
управления регистрацией символа, перемещения каретки и бумаги,
порт ввода служит для приема данных от схем сопряжения с
интерфейсом.
Управление работой последовательных ПчУ организу¬
ется с помощью системы приказов, которая, помимо приказов
непосредственной печати, включает в себя приказы: ВК (CR) —
возврат каретки, ПС (LF) — перевод строки, ПФ (FF) — перевод
страницы, а также ряд дополнительных приказов по горизонтальной
табуляции (ГТ), вертикальной табуляции (ВТ), переключению
шрифтов, инициированию и отмене графического режима и т.д. Эти
приказы в виде кодов управляющих символов передаются непосред¬
ственно в регистр данных (РгД) узла сопряжения с интерфейсом и
затем в буферную область ОЗУ МП. При считывании каждого кода
из буферной области производится его анализ, в результате которого
МП вырабатывает сигналы на блоки управления механизмами. Если
считываемый код соответствует графическому символу, печать
которого предусмотрена в данном устройстве, то этот код передается
в узел регистрации. Если код соответствует пробелу, то МП
формирует сигнал, имитирующий сигнал исполнения от узла
регистрации, так как пробел печатать не надо; тем самым
исключается перемещение шрифтоносителя (или остановка каретки
для печати столбцов матрицы при матричном способе) и сокращаются
общие затраты времени.
При обнаружении кодов символов ВК и ПС микропроцессор
формирует соответствующие сигналы управления перемещением
каретки или бумаги. Приказы ПФ, ВТ, ГТ и другие вызывают
переход к подпрограммам в МП для выполнения соответствующих
действий и выработки последовательности управляющих сигналов.
Приказ ГТ позволяет использовать последовательность символов для
установки начальной и конечной позиций строки (размеры полей),
установки определенных фиксированных значений перемещения
каретки и т.п. Чтобы выполнить приказ ВТ, необходимо в памяти
МП иметь описание или «образ» страницы. Вертикальная табуляция
позволяет программе задавать формат страницы и расположение
текста на ней по вертикали.
Повышение производительности последовательных ПчУ может
быть достигнуто за счет уменьшения длины холостых перемещений
каретки. В простейшем случае сигнал на возврат каретки в начальное
положение формируется при обнаружении в последовательности кода
ВК и при достижении последней позиции печати на строке. В этом
случае каретка возвращается назад, причем время на ее воз-
вРат твк пропорционально длине пути (т.е. числу напечатанных
символов щ и постоянной времени тк , определяемой харак¬
теристиками привода каретки, хкв = тк щ , после этого следующая
строка начинает печататься с первой позиции. Если вторую строку
Печатать с конца, то каретку необходимо переместить на расстояние,
171
соответствующее разности длин строк ni и пг. Обычно строки
заполняются равномерно и разность I щ—пг I составляет в среднем
не более l-s-З символов.
При типичных значениях тк = 3 мс, длине строки 60 символов
и времени перевода строки тс в 100 мс достигается повышение
производительности на 30%. Для реализации перемещения каретки
в двух направлениях буферная область МП должна включать в себя
два участка, каждый размером в одну строку. В момент заполнения
первого участка буферной области фиксируется (путем анализа
пробелов) номер последней занятой ячейки, соответствующий зна¬
чению tti. Затем аналогично определяется длина второго участка
буферной области 112. Определив разность (щ — пг), МП вырабатывает
сигнал на печать с начала или конца строки в соответствии с
минимальным перемещением каретки. Участки буферной области при
приеме каждой очередной строки переключаются. В более простом
случае этот анализ может не производиться, но смежные строки
будут печататься в разных направлениях; причем каретка каждый
раз будет перемещаться до конца (или начала при печати в обратном
направлении) ширины страницы.
В табл.5.5 приведены характеристики некоторых типичных
последовательных ПчУ с микропроцессорным управлением. Для
привода каретки и бумаги использованы ШД.
Таблица 5. 5
Модель
CM6302
ЕС7145.01
СМ6317
IBM6640
Series 2000
Быстродействие,
знаков/с
180
165
40
92
160
Способ формиров-
матрица
матрица
лепестко¬
матрица
матрица
ния символа
9x7
11x9
вая 96
символов
24x40
5x10
Способ регистрации
Ударный
Ударный
Ударный
Струйный
Термичес¬
кий
Параллельные ПчУ. Они предназначаются для одновременного
формирования изображений всех символов одной строки на бумаге.
При использовании ударного способа регистрации большинство
параллельных ПчУ относятся к классу полнопрофильных. В качестве
шрифтоносителя в них используются барабаны и бесконечные ленты
(цепи, ремни). Быстродействие таких устройств определяется числом
строк в минуту. В наиболее производительных ПчУ используется
предварительное формирование скрытого изображения на поверхности
промежуточного носителя с последующим построчным переносом на
бумагу. Быстродействие такого рода ПчУ определяют числом страниц
в минуту.
Структурная схема. Рассмотрим наиболее распростри-
ненные параллельные ПчУ. При использовании барабана в качестве
172
шрифтоносителя параллельное ПчУ можно рассматривать как сово¬
купность элементарных устройств, способных формировать изобра¬
жение символа только в одной позиции на строке. Шрифтоносителем
элементарного устройства является колесо с литерами. Совокупность
отдельных колес, число которых соответствует числу символов в
строке, образует барабан. При вращении барабана литеры последо¬
вательно оказываются в позиции печати. Барабан имеет общий для
всех колес датчик текущего положения. Сравнение кодов символа,
подлежащего печати, и символа, полученного с датчика текущего
положения барабана, производится для каждой позиции строки
независимо. Это сравнение может производиться отдельными схемами
либо одной схемой на основе разделения времени. Печать полной
строки завершается за один оборот барабана.
Шрифтоноситель в виде бесконечной ленты, цепи или ремня
обладает рядом преимуществ по сравнению с барабаном: его легко
заменить, что дает возможность замены шрифтов; при ограниченном
алфавите на ленте можно разместить несколько наборов литер и за
счет этого увеличить скорость печати; менее заметны дефекты,
присущие печати «на лету», так как они проявляются в виде менее
воспринимаемых глазом человека непостоянных интервалов между
символами строки, а не в виде неровностей расположения их вдоль
строки как при барабане; скорость движения ленты может быть
несколько меньше скорости движения барабана, так как перемещение
ленты происходит вдоль короткой стороны символа (соотношение
длины и ширины символа составляет 4:3).
Однако, поскольку в положении печати для различных позиций
строки одновременно находятся разные литеры, управление таким
ПчУ усложняется. Кроме того, должны быть предусмотрены специаль¬
ные меры, предотвращающие вибрацию шрифтоносителя и его
вытягивание при движении. Вследствие ряда конструктивных
ограничений шаг между отпечатками символов на бумаге Бб (обычно
Se = 2,5 мм) несколько меньше шага между литерами на шрифто¬
носителе 5ШН. Наиболее распространенным является соотношение
= 3:2 (рис.5.19). Номера позиций строки и соответствующие
молоточки обозначены цифрами. Печать происходит при ударе
молоточка по бумаге Б, красящей ленте К и литере.
Пусть должно быть отпечатано слово CONCERT, начиная с
первой позиции строки, и пусть первая литера соответствует букве
А, а все последующие располагаются в алфавитном порядке. С
приводом шрифтоносителя (ШН) механически связан датчик теку¬
щего положения (ДТП), представляющий собой преобразователь
перемещения в цифровой код. На выходе этого датчика формируются
сигналы BEG, когда литера А находится напротив молоточка 7, и
сигналы SYN1, SYN2 и SYN3, когда литеры находятся напротив
Молоточков 7,2 и 3 соответственно. Очевидно, что если какая-либо
173
CONCERT
Рис. 5.19
литера с порядковым номером X находится в первой позиции строки
(напротив молоточка 1), то в позициях 1+3* находятся литеры с
порядковыми номерами Х+2i, здесь i = 0, (5-1)/3, где 5 — число
символов в строке.
Печать символа в любой позиции строки производится в тот
момент, когда напротив молоточка находится соответствующая литера
ШН. Таким образом, весь процесс печати строки можно представить
рядом последовательных циклов, которые реализуются посредством
схемы, показанной на рис.5.20. В состав устройства управления входят
БЗУ образа шрифтоносителя (БЗУ ШН), в последовательных ячейках
которого в порядке расположения литер на шрифтоносителе хранятся
коды символов, соответствующие этим литерам; БЗУ строки (БЗУ
Ст), ячейки которого соответствуют позициям на строке и содержат
коды символов, подлежащих печати, а также схема сравнения (СО,
регистры кода литеры PrJI и кода символа РгС, схемы адресации и
управления БЗУ и распределения сигналов на электромагниты
молоточков (дешифраторы ДШ, счетчики Сч, коммутаторы К).
Сигнал BEG устанавливает счетчики управления БЗУ шрифто¬
носителя (СчШН) и управления БЗУ строки (СчПоз) в исходное
состояние, которое соответствует положению литеры А в первой
позиции строки. Одновременно с сигналом BEG формируется сигнал
SYN1, начинающий первый цикл опроса БЗУ. Вначале из БЗУ ШН
выбирается содержимое первой ячейки, т.е. код литеры А; из БЗУ
Ст — содержимое второй ячейки, в данном примере код символа С.
Эти коды сравниваются со схемой СС, и поскольку, они не совпали,
то сигнал на выходе этого блока отсутствует. Затем с частотой
тактового генератора Ген последовательно опрашиваются третья
ячейка БЗУ ШН и четвертая ячейка БЗУ Ст, пятая ячейка БЗУ
174
К молоточкам
Рис. 5.20
ШН и седьмая ячейка БЗУ Ст и т.д. В данном примере при опросе
третьей ячейки БЗУ ШН и четвертой ячейки БЗУ Ст выявляется
совпадение кодов С, при этом схема СС сформирует сигнал, который
через коммутатор-селектор (К) поступает на электромагнит четвер¬
того молоточка и на бумаге получается оттиск буквы С в четвертой
позиции строки. После завершения первого цикла сформируется
сигнал SYN2, означающий, что литера В оказалась в позиции 2
(см.рис.5.19). Затем цикл повторяется, но для ячеек 2+2i БЗУ ШН
и 2+3i БЗУ Ст. После формирования сигнала SYN3 цикл вновь
повторяется. Полный анализ состояния готовности печати в каждой
позиции строки требует трех циклов опроса БЗУ. Чтобы напечатать
всю строку, такой анализ выполняется для каждого символа алфавита
на ШН. При переходе от цикла к циклу по сигналам SYN в счетчики
Сч ШН и Сч Поз добавляется 1.
В схеме управления ПчУ обычно предусматривается специальный
регистр исполнения РгИ (на рисунке не показан). Длина РгИ
соответствует длине строки; перед началом печати строки он
сбрасывается в нуль. Единицы в каждом его разряде устанавливаются
в двух случаях — при срабатывании соответствующего электромагнита
Молоточка в момент удара или при обнаружении в соответствующей
ячейке БЗУ Ст кода пробела; таким образом,/если все разряды РгИсп
175
содержат единицы, то печать строки закончена. Наличие РгИсп
позволяет ускорить формирование сигнала о завершении печати и
выявить некоторые ошибки печати, например, наличие ненапечатан¬
ных символов.
Поскольку шрифтоноситель движется непрерывно, за время
цикла опроса БЗУ происходит смещение положения литеры
относительно позиции строки. Для компенсации этого смещения шаг
шрифтоносителя увеличивается на величину смещения, т.е.
SuAH = 3/2 Бб + Уши Ту
где Уши—линейная скорость перемещения шрифтоносителя, Т-
период тактовых сигналов генератора Ген.
Система приказов параллельного ПчУ. Все
приказы можно разбить на четыре группы: печати, управления
форматом, начальной загрузки и контроля.
Приказы печати служат для загрузки строки символов в БЗУ
Ст, запуска автономных схем управления печатью, перемещения
бумаги на заданное число шагов после завершения печати строки.
Модификации этих приказов определяют лишь различия в числе
шагов перемещения бумаги.
Приказы управления форматом устанавливают величину пере¬
мещения (протяжки или прогона) бумаги без печати. Модификации
этих приказов позволяют задавать протяжку бумаги на 1,2 или 3
строки или прогон бумаги в соответствии с одной из «программ».
Программы управления прогоном в большинстве параллельных ПчУ
представляют собой последовательность пробивок на одной из дорожек
кольцевой перфоленты, перемещаемой вместе с бумагой (длина ПЛ
кратна длине страницы). Приказ прогона определяет лишь номер
такой дорожки. Каждая пробивка на дорожке перфоленты
воспринимается датчиком, сигнал от которого приводит к остановке
механизма перемещения бумаги. Сигналы с определенных дорожек
перфоленты используются как указания о завершении печати
последней строки на странице (конец формата) и как сигнал
физического конца страницы. По этим сигналам в РгС устанавлива¬
ются соответствующие указатели.
Приказы начальной загрузки служат для загрузки кодов в БЗУ
ШН в соответствии с установленным в устройстве шрифтоносителем.
Эти приказы определяют операции подготовки БЗУ к загрузке и
собственно загрузку.
Приказы контроля позволяют опросить регистры состояния и
уточненного состояния устройства, а также проверить соответствие
содержимого БЗУ ШН установленному на устройстве шрифто¬
носителю. Проверка выполняется путем поиска в БЗУ ШН
специфических для данного набора кодов символов.
176
В процессе вывода текста из ОП машины информация построчно
заносится в БЗУ Ст параллельного ПчУ. Сигнал о завершении
передачи строки формируется либо программно, если строка неполная,
либо аппаратно при заполнении БЗУ Ст. Сигнал завершения передачи
используется устройством для инициирования действия по печати
принятой строки и устанавливает указатель заполнения буфера в
РгС, формируемый при этом сигнал приостанавливает передачу.
Программа управления выводом ожидает установки указателя испол¬
нения печати в РгС, после получения которого осуществляется вывод
следующей строки. Более подробно взаимосвязь аппаратных средств
ПчУ и программных средств машины можно описать только для
конкретных архитектур СВВ.
В табл.5.6 приведены основные характеристики некоторых
пара
ллельных ПчУ. Все эти устройства являются полнопрофильными и
используют ударный способ регистрации.
Таблица5. 6
Модель АЦПУ
Быстродействие,
строк/мин
Тип шрифто¬
носителя
Длина строки
Набор симво¬
лов
СМ 6361
1000
лента
132
64 /96
ЕС 7038
700/ 1300
лента
132
96/140
ЕС 7039
900/1200/ 1500
цепь
132,160
48 / 64 / 96
Наивысшим быстродействием обладают параллельные ПчУ
(страничного типа) с электрофотографическим и феррографическим
способами регистрации. Так, лазерное ПчУ СМ 6314 обладает
быстродействием 8-12 страниц формата А4 в минуту при длине
строки 80/60 символов и обеспечивает возможность печати 192
различных символов. Лазерное ПчУ ЕС 7230 обладает быстро¬
действием 20 страниц/мин, а ЕС 7231 —до 140 страниц/мин;
феррографическое ПчУ 9700 фирмы XEROX — до 600 страниц/мин.
Разрешающая способность этих устройств составляет 75-95 точек/мм
по горизонтали и 50-70 точек/мм по вертикали, все они обладают
квазиграфическими возможностями.
Системы микрофильмирования. Они представляют собой сово¬
купность устройства отображения текстовой или графической инфор¬
мации и аппаратуры для электрофотографической съемки
изображения на рулонную (микрофильм) или плоскую (микрофиш)
пленку, обладающую высокой разрешающей способностью. В неко¬
торых системах запись на фотопленку производится непосредственно
с помощью управляемого электронного или светового луча. Скрытое
фотографическое изображение проявляется и фиксируется химичес¬
ким способом. Примером может служить устройство ЕС 7602,
177
построенное на основе ЭЛТ. Микрофиши из вводной кассеты
поочередно передаются в блок экспозиции, а затем в приемную
кассету. Проявление осуществляется вне устройства. Скорость вывода
составляет 100000 зн/с; использован стандартный микрофиш размером
143x105мм; емкость кассет — по 50 микрофишей. Готовые микрофиши
передаются в специальные хранилища, обеспечивающие полуавто¬
матический поиск и проецирование кадров микрофиша на экран.
Поиск выполняется с помощью краевой перфорации. Многие
устройства, например ПФА-2, позволяют получать документальные
копии на бумаге.
5.6. Устройства отображения текстовой информации
При отладке программ, при автоматизированном управлении и
контроле возникает необходимость в оперативном выводе текста на
экран и его редактировании. Вывод на экран индикатора позволяет
экономить бумагу, ускорить процесс и упростить взаимодействие
оператора с машиной. В устройствах отображения информации (УОИ)
функции преобразования электрических сигналов в видимое изобра¬
жение на экране реализуются различными индикаторами. Для
реализации функций редактирования У О оборудуют различными
средствами ручного ввода, чаще всего клавиатурой. Совокупность
совместно работающих УОИ и средств ручного ввода называют
дисплеем.
Классификация устройств отображения. В соответствии с
формой представления информации (текстовая и графическая) все
УОИ принято делить на алфавитно-цифровые и графические. Такое
деление обусловлено не только формой представления информации,
но и различием схем управления, программного обеспечения и
требований со стороны пользователей, хотя в обоих типах устройств
могут использоваться однотипные индикаторы. В зависимости от
использования отображаемой информации одним или одновременно
несколькими пользователями различают устройства (системы) отоб¬
ражения индивидуального и коллективного пользования. УОИ
индивидуального пользования входят в состав дисплеев и обеспечива¬
ют интерактивное взаимодействие оператора и ЭВМ; системы
коллективного пользования в качестве индикатора используют
большие экраны и обеспечивают возможность отображения текущей
обстановки и принятия коллективных решений в АСУ. Системы
коллективного пользования обычно являются графическими.
Устройства отображения различаются также типом используемого
индикатора и способом формирования изображения на экране.
Основные типы индикаторов. Преобразование электрических
сигналов в видимое изображение основывается на явлениях люмине¬
сценции, газового разряда, изменения оптических свойств жидких
178
кристаллов, светоизлучения полупроводниковыми материалами и т.д.
Требования, предъявляемые к индикаторам,
определяются в основном особенностями зрительного восприятия
информации и строения глаза — зрительного анализатора человека.
Вследствие этого большинство требований, предъявляемых к индика¬
торам, являются общими для различных устройств и систем вывода
текстовой и графической информации. Так, аналогично печатающим
устройствам изображение на экране индикатора принято характеризо¬
вать контрастностью D и разрешающей способностью R. Помимо
этого изображение должно обладать определенной яркостью I, чтобы
энергия светового воздействия была достаточной для восприятия
рецепторами глаза, но не чрезмерной (отсуствовал эффект ослеп¬
ления). Для монохромных индикаторов важным параметром является
базовый цвет, влияющий на утомляемость оператора (наиболее
приемлемый зеленый). Во многих случаях чрезвычайно важно
получать цветное изображение на экране.
Для большинства типов индикаторов характерно, что изобра¬
жение на экране может наблюдаться только при расположении глаза
оператора в пределах определенного угла (относительно экрана),
называемого углом обзора. Индикаторы принято характеризовать,
кроме того, размером экрана, числом символов на экране (или числом
отдельных точек для графических систем), а также временными
параметрами — временами адресации и стирания. Действие любого
индикатора основано на изменении оптических свойств его элементов
под влиянием электрических сигналов. Эти измененные свойства
совокупности элементов индикатора и создают видимое изображение.
Элемент индикатора может сохранять измененные оптические свой¬
ства после снятия сигнала (такой индикатор называют индикатором
с памятью), либо возвращаться в первоначальное невозбужденное
состояние (индикатор без памяти). Примерами индикаторов с памятью
могут служить запоминающие ЭЛТ, некоторые типы жидко¬
кристаллических и газоразрядных индикаторных панелей; примерами
индикторов без памяти — ЭЛТ, светодиодные индикаторы, электро-
люминесцентные панели.
Возможность использования индикаторов без памяти основана
на свойствах человеческого зрения не различать как отдельные
явления вспышки света, если частота их следования превышает
некоторое пороговое значение, называемое критической частотой
мерцаний. Критическая частота мерцаний зависит от яркости и
Длительности действия возбудителя, уровня окружающей освещен¬
ности и ряда других факторов; обычно это значение лежит в пределах
25-50 Гц. Таким образом, в индикаторах без памяти необходимо
непрерывно поддерживать видимое изображение с частотой выше
критической частоты мерцаний; такой процесс называется регене-
179
рацией изображения. В У О для регенерации изображения в
большинстве случаев приходится предусматривать специальное ЗУ.
Физические принципы получения видимого
изображения.
Светодиодные индикаторы. Принцип работы светодиодных
индикаторов основан на явлении испускания света точечным
переходом в некоторых полупроводниках при приложении к нему
напряжения прямого смещения. В зависимости от материала можно
получать различные цвета излучения. Устройство светодиодного
индикатора показано на рис.5.21. Индикатор состоит из нескольких
сегментов, образованных р-п переходом 7, отражателем 2 и
рассеивателем 5, обеспечивающим равномерную яркость всего сег¬
мента. Индикаторы различаются материалом перехода и конструкцией
отражателя и рассеивателя. Наиболее часто светодиодные индикаторы
изготавливаются в виде точечных матриц небольшого размера; они
легко сопрягаются с ТТЛ схемами и широко используются в
простейших МП-системах.
Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) являются
пассивными, т.е. они лишь управляют прохождением (отражением)
света от внешнего источника света, вследствие чего обладают малым
энергопотреблением. Основой работы ЖКИ является использование
свойств некоторых органических соединений изменять свои
оптические характеристики под действием электрического поля.
Наиболее часто используются явления динамического рассеивания и
скручивания нематической фазы. Обычно ЖКИ представляют собой
совокупность линейчатых сегментов-ячеек, имеющих слоистую кон¬
струкцию, образованную (рис.5.22) стеклянными пластинами 7 и 5
с нанесенными на них электродами 2 и 4, между которыми заключен
тонкий (10—20 мкм) слой ЖК-вещества 3. Электроды должны быть
прозрачными.
Стержневидные молекулы ЖК-вещества под действием сил
межмолекулярного взаимодействия ориентируются в определенном
направлении. Воздействием электрического поля можно разрушить
ориентацию молекул или изменить ее направление. При использо¬
вании эффекта динамического рассеивания за счет специальной
обработки подложек молекулы ориентированы перпендикулярно их
поверхности. При приложении электрического поля ориентация
нарушается и ячейка изменяет показатели отражения (или пропу¬
скания) света. Из-за нестабильности и значительной подверженности
внешним условиям ЖКИ, основанные на эффекте динамического
рассеивания, вытесняются ЖКИ, основанными на эффекте
скручивания нематической фазы. В таких ЖКИ электроды на
стеклянных пластинах взаимноортогональны; молекулы ЖК-вещества
ориентированы вдоль электродов. Таким образом, в толще вещества
происходит поворот ориентации молекул на 90°.
180
■1
■2
•3
■5
о) 5)
Рис. 5.21 Рис. 5.22
На стеклянных пластинах дополнительно нанесены слои
поляризатора. ЖК-вещество поворачивает ось поляризации проходя¬
щего через него света на 90°. Если направление осей поляризации
совпадает с направлением электродов на пластинах, то ячейка
прозрачна, если ось поляризации одного из слоев перпендикулярна
направлению электродов, то ячейка непрозрачна. Под действием
внешнего электрического поля ориентация молекул ЖК-вещества в
ячейке изменяется, тем самым изменяя прозрачность (и отражатель¬
ные свойства) ячейки.
Для использования ЖКИ необходим определенный уровень
внешнего освещения или специальный источник света. Располагая
ось поляризации поляризатора параллельно или перпендикулярно
направлению электродов, можно получить светлое изображение на
темном фоне или темное — на светлом. ЖКИ, основанные на эффекте
скручивания нематической фазы, обеспечивают высокую контраст¬
ность, способны работать в диапазоне температур от -10° до +70°С,
легко сопрягаются с ТТЛ- схемами (напряжение переключения около
5В). Потребление тока составляет менее 0,5 мкА. ЖКИ используются
для простейших МП-систем. Угол обзора для ЖКИ ограничен.
Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ), несмотря на ряд присущих
им недостатков, остаются одним из наиболее распространенных типов
индикаторов. ЭЛТ представляет собой стеклянную колбу с плоским
основанием-экраном (рис.5.23), покрытым с внутренней стороны
люминофором. В колбе размещается несколько электродов. Катод 1
нагревается подогревателем 6 до температуры около 1100К. Под
воздействием электростатического поля ускорения, создаваемого
катодом и анодом 2, электроны с поверхности нагретого катода
устремляются в сторону анода и экрана 3; эти электроны проходят
через фокусирующую систему 5 и образуют узкий пучок, который,
Ударяясь о поверхность экрана, вызывает вторичную эмиссию и
свечение люминофора. Пучок электронов отклоняется электростатиче¬
ской или электромагнитной отклоняющей системой 4. Значение
отклонения [см] на экране можно определить по приближенным
Формулам:
181
H-J
п^п
— для электростатической системы:
Рис. 5.23
где L — длина пластины, см;
D — расстояние пластин до экрана, см;
Ua — ускоряющее напряжение, В;
d — расстояние между пластинами, см;
их — напряжение на отклоняющих
пластинах, В.
— для олектромагнитной системы:
А х ^ LDHX y/{e/2mUa) ,
где L — ширина катушки (см),
#х—напряженность магнитного поля (Гс),
е/m — отношение заряда к массе электрона.
При одинаковых ускоряющих напряжениях большее отклонение
достигается при использовании электромагнитной системы, а следо¬
вательно, можно применять более короткие трубки; однако быстро¬
действие электромагнитной отклоняющей системы ниже и
ограничивается индуктивностью катушки. В ряде случаев в индика¬
торах используют одновременно обе системы. Важной харак¬
теристикой ЭЛТ является минимальный диаметр пятна на экране,
который составляет 0,25-0,4 мм и определяет ее разрешающую
способность.
ЭЛТ позволяет получать полутоновые и цветные изображения,
обеспечивают сравнительно высокую яркость и разрешающую спо¬
собность. Существенными недостатками ЭЛТ являются большие
габаритные размеры, низкая надежность, необходимость в высоко¬
вольтных источниках питания, высокое энергопотребление.
Газоразрядные или плазменные индикаторы выпускаются в виде
панелей, состоящих из линейных сегментов для нескольких знакомест,
а также в виде панелей, в которых образована точечная матрица.
Принцип действия этих индикаторов основан на газовом разряде в
среде инертных газов. Для возбуждения и поддержания газового
разряда используется постоянный или переменный ток. Лучшими
характеристиками обладают газоразрядные индикаторные панели
(ГИП) переменного тока, имеющие слоистую конструкцию, которая
напоминает конструкцию ЖК-ячейки. Взаимноортогональные про¬
водники, выполняющие функции катодов и анодов, нанесены на
стеклянные пластины-подложки, между которыми посредством уплот¬
нителей формируется герметизированное пространство, заполняемое
смесью аргона и неона. Проводники защищены от газовой среды
слоем диэлектрика. Все элементы конструкции выполнены из
182
прозрачного материала. На катоды и аноды подается знакопеременное
«поддерживающее» напряжение, меньшее напряжения возникновения
разряда. Возбуждение разряда в ячейке матрицы происходит при
подаче импульсов возбуждения на соответствующие проводники
катодов и анодов. При суммарном напряжении между ними превос¬
ходящем напряжение возбуждения, возникает разряд. При протекании
разрядного тока на соответствующем данной ячейке участке
диэлектрика накапливаются заряды, которые приводят к прекра¬
щению разряда в течение данного полупериода поддерживающего
напряжения, однако способствуют возникновению разряда в данной
ячейке в следующем полупериоде, когда его полярность изменяется
и совпадает с полярностью напряжения от накопленного заряда на
диэлектрике. Так обеспечивается повторное возникновение разряда
и «запоминание» информации. Для стирания информации подаются
внешние импульсы, устраняющие заряд с участка диэлектрика данной
ячейки. Благодаря запоминающим свойствам яркость изображения не
зависит от размера поля экрана, при этом значительно снижаются
требования к быстродействию. ГИП переменного тока обеспечивают
разрешающую способность около 2-3 линий/мм, достаточно высокую
яркость и хороший угол обзора, однако в ни а трудно получить
цветное изображение, технологически сложно изготавливать ком¬
мутирующие элементы.
Тонкопленочные электролюминесцентные панели (ТЭЛП) —
типичная конструкция показана на рис.5.24. Электролюминесцентный
слой 1 из легированного марганцем сульфида цинка, расположен
между двумя прозрачными изолирующими слоями 2. В свою очередь,
эти слои заключены между слоями задних строчных 5 и передних
прозрачных столбцовых 4 взаимноортогональных электродов, которые
образуют матрицу. Слой стекла 3, покрывающий столбцовые
электроды, образует лицевую панель. Электролюминесценция
возникает на участках слоя 1 в узлах матрицы под действием
электрического поля. Поле, достаточное для возникновения люмине¬
сценции в каждой точке матрицы, образуется импульсами противо¬
положной полярности, подаваемыми на систему строчных и
столбцовых электродов. Люминесценция возникает только при
одновременной подаче импульсов на строчный и столбцовый элект¬
роды; если сигнал подан лишь на один электрод, то люминесценция
не возникает. Строчные электроды опрашиваются последовательно,
независимо от формируемого изображения; на столбцовые электроды
сигнал подается только в том случае, если в соответствующем узле
матрицы на экране должна быть получена яркая точка. ТЭЛП
обеспечивают высокую разрешающую способность, хорошую контр¬
астность, большой угол обзора; они имеют малые габаритные размеры,
но не обладают памятью и в них затруднено получение полутоновых
н цветных изображений.
183
Рис. 5.24
Управление формированием символов на экране. Отдельные
индикаторы, например светодиодные или ЖКИ, на одно «знакоместо»
могут объединяться в блоки, часто выпускаемые в виде единой
микросхемы. Они применяются в простейших МП-системах, конт¬
роллерах, электронных приборах с цифровой индикацией и т.д. В
индикаторах второго типа (индикаторы со сканированием) экран
можно представить в виде равномерной прямоугольной сетки. Эти
индикаторы используются для отображения не только текстовой, но.
и графической информации. Узлы сетки экрана являются опорными
точками для получения изображения алфавитно-цифрового символа
или графического образа. Совокупность узлов сетки позволяет
образовывать матрицы, посредством которых формируются контуры
символов. Расположение матриц на экране фиксированы и опреде¬
ляется схемами управления; каждая матрица на экране называется
знакоместом.
Управление индикаторами, выполненными
в виде блока знакомест. При формировании контура
символа на отдельном индикаторе из матрицы точек, например, 5x7,
поступающий код символа преобразуется в 35-разрядный код
описания его контура, в котором «1» в каком-либо разряде означает
«включенное» состояние соответствующего данному разряду элемента
матрицы, а «О» — «выключенное». Преобразование кодов выполняется
посредством шифратора (часто используют микросхемы ПЗУ, в
которых хранятся коды описания контуров всех символов использу¬
емого алфавита). Если знакоместо образовано линейными сегментами,
то число разрядов кода описания контура определяется числом этих
сегментов. В цифровых индикаторах, изготовленных в виде одной
микросхемы, такие шифраторы часто выполняют встроенными. Между
шифраторами и электродами индикатора располагаются наиболее
сложные компоненты-усилители, служащие для формирования уров¬
ней напряжения, необходимых для управления включением-выклю¬
чением элементов индикатора. Число этих усилителей можно
184
сократить, если их использовать для возбуждения одноименных
элементов различных знакомест на основе мультиплексирования.
На рис.5.25,д показана индикаторная панель, состоящая из
нескольких 7-сегментных знакомест. Одноименные катоды-сегменты
всех знакомест объединены и возбуждаются от общих усилителей.
Мультиплексирование обеспечивается поочередной подачей разреша¬
ющих потенциалов на раздельные аноды знакомест (А1 — Ап). Такая
индикаторная панель может быть подключена к порту вывода МП.
При отображении числовой информации в одном 8-разрядном слоге
можно разместить и код символа (старшие четыре разряда), и номер
знакоместа (младшие разряды). Это позволяет подключить шифратор
кодов (Ш) и дешифратор номера (ДШ) знакоместа соответственно
к старшим и младшим разрядам порта вывода. Для исключения
мерцаний цикл вывода повторяется с частотой 25-50 Гц.
Рассмотрим теперь панель, состоящую из отдельных све¬
тодиодных матриц (рис.5.25,б). Матрица 5x7 позволяет отображать
не только цифры, но и буквы. Однако из-за последовательного опроса
элементов матрицы длительность светоизлучения каждым сегментом,
а следовательно, и кажущаяся яркость снижаются. Для устранения
этого недостатка аноды светодиодов строки матрицы подключаются
к параллельным выходам сдвиговых регистров Рг; в эти регистры
загружаются коды описания контуров символов (7-разрядные),
относящиеся к отображаемому в данный момент столбцу. Сначала
загружаются коды всех первых столбцов и подается разрешающий
потенциал на катоды элементов, расположенных в первых столбцах
всех матриц, затем коды для вторых, третьих столбцов и т.д. Процесс
также должен повторяться с частотой не менее 25-50 Гц.
Управление индикаторами со сканирован и-
е м несколько сложнее. Экраны таких индикаторов можно рас¬
сматривать как прямоугольную сетку, в узлах которой находятся
отдельные элементарные индикаторы (ЭИ), способные под воз¬
действием управляющих сигналов изменять свои оптические свойства.
Сетка создается либо в процессе изготовления индикатора (система
ортогональных электродов в ГИП и ТЭЛП), либо в процессе
формирования изображения (например, при перемещении луча по
экрану ЭЛТ). Включение и выключение ЭИ для формирования
видимого изображения на экране производится в определенной
последовательности, называемой последовательностью опроса ЭИ.
Принято различать функциональный метод формирования изобра¬
жения, при котором последовательность опроса определяется конк¬
ретным отображаемым контуром, и растровый метод, при котором
последовательность опроса ЭИ не зависит от изображения и всегда
Постоянна.
В современных устройствах отображения текстовой информации
Применяется исключительно растровый метод, причем используется
Разновидность растра, называемого полноформатным (телевизион-
185
а)
В)
Рис. 5.25
ным). Функциональный метод формирования изображения будет
рассмотрен далее применительно к графическим системам. При
полноформатном растре последовательность опроса ЭИ такова: слева
направо опрашиваются ЭИ, расположенные в верхнем горизонтальном
ряду сетки экрана, затем опрашиваются также слева направо ЭИ,
расположенные во втором ряду и т.д. После опроса ЭИ последнего
нижнего ряда возобновляется опрос ЭИ верхнего ряда. При
использовании ЭЛТ в качестве индикатора формирование сетки ЭИ
и их опрос производится в процессе перемещения луча по экрану.
Луч равномерно перемещается горизонтально слева направо, как бы
прочерчивая одну «телевизионную» строку растра — прямой ход луча.
Во время прямогоходалучав моменты времени, определяемые
синхроимпульсами (СИ), интенсивность луча можно увеличить, при
этом в строго определенном месте экрана возникает яркая точка.
186
Таким образом, сетка ЭИ на экране создается за счет временной
синхронизации. После завершения прямого хода луча на отклоня¬
ющие системы ЭЛТ подаются сигналы, возвращающие луч к началу
второй телевизионной строки растра. Во время обратного хода луча
его интенсивность уменьшена, и поэтому он не оставляет следа на
экране. Аналогично осуществляется возврат луча к началу первой
строки после завершения прямого хода на последней нижней
телевизионной строке экрана. Полный цикл опроса ЭИ называется
кадром.
В телевизионной технике используется так называемая черезстрочная развертка, при
которой кадр состоит из двух полу кадров; в первом полу кадре луч nepeMeujaetCH по нечетным
строкам растра, во втором — по четным.
На рис.5.26,а и б приведены структурная схема дисплея на
основе ЭЛТ и пример формирования текста на экране соответственно.
Помимо блоков, непосредственно участвующих в формировании
изображения, показаны узлы для подключения клавиатуры Кл и
узел сопряжения с интерфейсом УС. Строка текста на экране
занимает несколько (Ny) телевизионных строк, например 9; строки
разделены межстрочными промежутками, которые в данном случае
соответствуют 10-14 телевизионным строкам. На этих строках
располагается специальный маркер (или курсор). Символы занимают
несколько (Nx) столбцов (здесь с 1-го по 7-й) и отделяются друг
от друга столбцами 8 и 9. Таким образом, каждое знакоместо
представлено матрицей точек 7x9, а весь экран можно рассматривать
как матрицу знакомест размером Мх х Му (например, 80 х 24).
Перемещение луча по экрану ЭЛТ посредством отклоняющих систем
и блока развертки БР синхронизируется сигналами СИЗ блока
синхронизации БСИ. Модулятор М служит для изменения
интенсивности электронного луча в те мометы (СИ2), когда он
направлен в узел сетки экрана.
Отображаемый текст заносится в БЗУ, в каждой ячейке которого
хранится код одного символа. В режиме отображения информации
на экране синхронно с перемещением луча с помощью счетчика
позиций (СчА) вырабатываются последовательные адреса ячеек БЗУ.
Адрес ячейки передается в РгА и соответствует номеру знакоместа
на экране и состоит из двух частей — номера информационной строки
Лу и номера позиции в строке Ах. При обращении к БЗУ по адресу
ЛуАх код соответствующего символа поступает на знакогенератор ЗнГ,
представляющий собой ПЗУ, в котором хранятся описания изобра¬
жений всех отображаемых символов, см.рис.5.26,б.
Поскольку луч перемещается по экрану вдоль строки, то в
пРоцессе прямого хода луча должны быть сформированы одноименные
^ризонтальные элементы всех символов одной информационной
Игроки. Для этого в качестве адресной информации в ЗнГ помимо
*ода отображаемого символа (из БЗУ) подается код текущей
телевизионной строки развертки (Ny); в результате в сдвиговый
187
Код сим дола
из 63У
Nu из 6СИ
а)
ПЗУ
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
м;=9
На управление
лучом
Х=6
Рг-
SI
Рис. 5.26
регистр (Рг—>) поступает описание одного горизонтального элемента
одного символа (сравни с ПЗУ ПчУ на рис.5.16). Сигналы, снимаемые
с последовательного выхода этого регистра, служат для управления
модулятором, т.е. для формирования светлых или темных точек
изображения символа в узлах сетки. В БЗУ могут храниться коды
управляющих символов; в этом случае их описания в ПЗУ
знакогенератора отсутствуют и эти символы не отображаются на
экране. С помощью дешифратора ДШ коды управляющих символов
преобразуются в сигналы для устройства управления (УУ). Считы¬
вание кодов символов из БЗУ производится синхронно с
формированием изображения на экране. Предположим, что считы¬
вание из БЗУ производится посимвольно. Время формирования tc
каждого горизонтального элемента символа можно определить, исходя
из частоты регенерации изображения Fp = 50Гц, числа символов в
строке (Мг=80), числа строк (Му=24) и ширины строки текста (т.е.
числа строк растра, приходящихся на одну строку с учетом
межстрочных промежутков Ny = 14):
tc = 1/(FP Мх Му Ny).
В нашем примере tc < 0,7 мкс. При недостаточном быстродействии
БЗУ можно производить одновременное считывание нескольких байт.
Для операций редактирования символ на экране отмечается маркером.
Отмеченное маркером знакоместо соответствует ячейке БЗУ с
адресом, который совпадает с содержимым счетчика позиции маркера
(СчК). В процессе опроса БЗУ содержимое счетчика СчА постоянно
изменяется; при совпадении содержимого счетчиков СчА и СчК и
при наличии сигнала о том, что номер текущей телевизионной строки
Ny соответствует 10-12, схема совпадения (СС) вырабатывает сигнал
на модулятор М, при этом на экране формируется изображение
маркера. Сигнал совпадения может использоваться в БУ для
разрешения записи кода символа из регистра символа РгС в
соответствующую ячейку БЗУ. Таким образом, код символа нажатой
клавиши на клавиатуре попадает в ячейку БЗУ, соответствующую
расположению маркера на экране.
Операции редактирования. Как уже отмечалось, дисплей или
экранный пульт представляет собой совокупность У О и клавиатуры.
Клавиатура дисплея должна предоставлять возможность оператору
производить операции редактирования текста, отображаемого на
экране. К числу операций редактирования принято относить: ввод,
стирание или изменение символа; ввод, стирание или вставка строки
или ее части; установка полей отображаемого формата; выделение
символов или слов посредством подчеркивания, изменения яркости,
Инверсного отображения (на светлом фоне темный символ) или
Мерцания, смещение страницы на одну строку вверх и т.д.
189
У правление положены е маркера. Положение маркера на эк¬
ране определяется содержимым счетчика СчКу (рис.5.26,а), состоя¬
щего из двух частей: счетчика строк СчКу и счетчика позиций в
строке СчКх. Для перемещения маркера вправо или влево вдоль
строки необходимо добавить (или отнять) единицу к содержимому
счетчика СчКх; соответствующий сигнал формируется при нажатии
одной из функциональных клавиш клавиатуры. Аналогично для
перемещения маркера на одну строку вниз или вверх необходимо
добавить (отнять) единицу к счетчику СчКу. Эти сигналы также
формируются при нажатии соответствующих функциональных
клавиш, а также при переполнении счетчика СчКх и после записи
кода символа в БЗУ из РгС. Маркер можно вернуть на первую
позицию экрана, обнулив счетчик СчК.
Смещение страны цы на одну строку вверх может быть
реализовано различными способами. На рис.5.26,а для этой цели
использован сумматор (См), который вычисляет абсолютный адрес
строки Y в БЗУ путем сложения содержимого СчАу и содержимого
счетчика смещения СчСм, находящегося в БУ (на рисунке этот
счетчик не показан). Содержимое СчСм является как бы базовым
адресом, начиная с которого производится циклическое считывание
из БЗУ информационного блока размером, соответствующим емкости
экрана. Такой способ особенно удобен в тех случаях, когда объем
БЗУ превышает емкость экрана. Тогда уменьшение содержимого
СчСм позволяет отображать одну страницу, начиная с произвольной
строки, т.е. «поднимать» или «опускать» страницу. В некоторых
дисплеях БЗУ строится на элементах динамического типа, в которых
для сохранения информации производится ее регенерация, т.е.
периодическое считывание с последующей записью по тому же адресу.
В таких устройствах цикл регенерации для каждой информационной
строки производится во время интервала, когда луч перемещается
по телевизионным строкам, образующим промежуток между инфор¬
мационными строками.
Смещение страницы на одну строку вверх в этих системах
удобно производить путем физического изменения содержимого БЗУ;
для этого вместо цикла регенерации выполняют цикл перезаписи со
смещением строки вверх. Этот цикл заключается в следующем: код
из ячейки БЗУ с адресом АУ,АХ записывается в ячейку с адресом
A(y-i),Ax\ очевидно, что содержимое верхней строки теряется, а нижняя
остается пустой.
Выделение символов, слов и задание форма¬
тов. При необходимости выделения отдельных символов, например,
посредством подчеркивания или модуляции яркости, в каждой ячейке
БЗУ помимо разрядов для кода символа предусматривается один-два
разряда для хранения признака выделения. При считывании со¬
держимого ячейки БЗУ в процессе отображения информации на
190
экране код символа передается в знакогенератор, а признаки
выделения — в схемы управления. Запись признака выделения в
каждую ячейку БЗУ выполняется аналогично записи кода символа,
но независимо от него с помощью соответствующей функциональной
клавиши.
Для выделения слов и полей используются специальные
управляющие символы, коды которых заносятся в БЗУ. Эти символы
на экране не отображаются, однако при считывании из БЗУ
дешифрируются, и сформированные сигналы служат для управления
процессами отображения и записи информации в БЗУ. Каждое
помеченное таким образом поле на экране начинается и заканчива¬
ется пробелами, которые соответствуют неотображаемым управля¬
ющим символам в ячейках БЗУ. Например, в случае защищенного
поля в первую ячейку поля БЗУ заносится управляющий символ —
признак защищенного поля. При считывании кодов из БЗУ в процессе
отображения текста на экране этот код будет расшифрован и будет
сформирован соответствующий управляющий сигнал, который уста¬
новит в «1» триггер блокировки записи в БЗУ. Таким образом, запись
в БЗУ со стороны клавиатуры будет запрещена; при этом, если
схемы обнаруживают совпадение значений счетчика позиций маркера
СчК и счетчика текущей позиции БЗУ СчА для защищенного поля,
то они сформируют сигнал на увеличение содержимого СчК. Маркер
таким образом, не может быть установлен на защищенное поле.
Триггер блокировки будет сброшен при обнаружении символа отмены
защищенного поля. Аналогичным образом могут быть реализованы
выделения полей различных типов.
Удаление и вставка символа являются одними из
важнейших операций по редактированию. Для удаления символа
необходимо установить маркер на соответствующую позицию и затем
нажать клавишу удаления. Сигнал от клавиши удаления символа
приводит к следующим действиям. Во время перемещения луча ЭЛТ
по телевизионным строкам межстрочного промежутка после обнару¬
жения сигнала совпадения содержимого счетчиков СчК и СчА каждый
следующий считаный из БЗУ код символа будет записываться не по
своему адресу (АУ,АХ)У а по адресу AyyA(x-i), т.е. в предыдущую ячейку.
Код символа в ячейке, для которой произошло совпадение содержимо-
п> СчК и СчА, будет потерян. На экране эти действия соответствуют
Удалению одного символа и смещению оставшегося текста на одну
позицию влево. Вставка символа производится аналогично, однако
вначале в БЗУ освобождается ячейка для записи вставляемого символа
по адресу маркера, для чего текст справа от вставки сдвигается
вправо, а затем в освобожденную ячейку БЗУ заносится новый
символ. Для сдвига части текста вправо считываемые из ячеек (АууАх)
БЗУ коды символов должны заноситься в соседние ячейки с адресами
^y>A(x+i). Однако соседняя ячейка освобождается лишь при следующем
191
цикле считывания, поэтому в схемах управления должен быть
предусмотрен буферный сдвиговый регистр на два символа. Символ
из последней ячейки теряется.
Использование МП в схемах управления позволяет значительно
расширить число функций редактирования и значительно усложнить
их. Можно реализовать операции удаления и вставки строки, сдвиг
текста с использованием свободных полей и т.п. Однако непосред-
стсвенное отображение текста на экране реализуются аппаратными
средствами из-за высоких требований к быстродействию.
На клавиатурах дисплеев обычно предусматривают управля¬
ющие клавиши переключения режимов работы: автономный и
системный. В автономном режиме ввод и изменение содержимого
БЗУ производится от клавиатуры; в системном режиме БЗУ
подключается к схемам сопряжения с ЭВМ. Примерами современных
дисплеев могут служить устройства ЕС 7927.01 М и СМ 7202.М2. В
обоих дисплеях применен полноформатный растр, на экран может
быть выведено 24 строки текста по 80 символов в каждой. Алфавит
содержит 160 отображаемых символов. В устройстве ЕС 7927.01М
применен монохроматический, а в CM 7202.М2 — многоцветный
индикатор. Оба дисплея обладают возможностями псевдографики.
5.7. Пульты ЭВМ
В процессе эксплуатации ЭВМ возникает необходимость вмеша¬
тельства обслуживающего персонала (оператора, инженера, систем¬
ного программиста) в ход вычислительного процесса. Взаимодействие
обслуживающего персонала с программно-аппаратными средствами
ВС реализуется посредством особых средств ввода-вывода «текстовой»
информации, которые называют пультами. С помощью пультов ЭВМ
выполняется генерация программного обеспечения, инициализация
вычислительного процесса, запуск диагностических процедур, восста¬
новление правильности информации и вычислительного процесса
после отказов и сбоев.
Пульты ЭВМ различаются в зависимости от назначения и класса
ЭВМ. В простейшем случае пульт ЭВМ представляет собой набор
тумблеров для установки кода в регистре и набор индикаторов для
отображения состояния регистра. Такие пульты характерны для
простейших микроЭВМ. Для машин общего назначения и суперЭВМ
пульты могут содержать специальные «сервисные» процессоры с
собственными ПУ (дисплеи, пультовые пишущие машинки, ВЗУ) и
запоминающие устройства, позволяющие существенно упростить
выполнение перечисленных выше функций. Пультовые ЗУ, выпол¬
няемые обычно в виде малогабаритного накопителя на ГМД или
кассетной MJI, позволяют хранить диагностические программы,
программы начальной загрузки и т.п.
192
Пульт ЭВМ должен предоставлять возможность оператору
устанавливать различные режимы работы машины (автоматический,
пошаговый, потактовый), задавать адреса команд и операндов, коды
операций, режимы обмена и т.д. С этой целью предусматриваются
специальные аппаратные средства и соответствующие цепи, служащие
для передачи управляющих сигналов от органов управления пульта
к соответствующим логическим схемам в ЦП и ПВВ, а также для
приема в пульт сигналов о состоянии тех или иных компонентов
ЦП или ПВВ для индикации оператору. Число управляющих сигналов
и сигналов о состоянии двоичных элементов очень велико; они
образуют многобитовые коды, которые передаются с пульта или на
пульт последовательным способом.
Число принимаемых и формируемых на пульте сигналов
значительно превосходит число индикаторов и органов управления,
поэтому большинство индикаторов и переключателей пульта являются
многофункциональными. Задание выполняемой функции, а также
параллельно-последовательное преобразование кодов осуществляется
посредством мультиплексоров, расположенных непосредственно в
пульте и рассредоточенных по всему оборудованию ЭВМ, конт¬
ролируемому пультом.
Пульт управления позволяет переводить систему в начальное
состояние (сброс системы); производить начальную загрузку системы;
запускать любую программу [для этого в текущее слово состояния
программы (ССП) заносится адрес команды]; устанавливать режимы
работы ЦП и ПВВ, производить пуск и останов ЦП и ПВВ;
устанавливать реакцию ЦП на сигналы совпадения адресов; уста¬
навливать реакцию ЦП на сбои, производить «гашение» сигналов о
сбоях, а также ряд других действий. Сброс системы и первоначальную
загрузку программ рассмотрим на примере пульта ЕС ЭВМ.
Сброс системы. Выполняется при нажатии кнопок сброса или
загрузки. Сигнал от них останавливает работу генератора тактовых
импульсов, устанавливает в нулевое состояние все регистры ЦП и
ПВВ, переводит в исходное состояние ПУ. При этом производится
проверка регистров ЦП, правильности контрольных разрядов в
ячейках ОЗУ. Система переводится в состояние останова.
Первоначальная загрузка программы. Посредством переключате¬
лей на пульте устанавливается адрес УВв, с которого производится
загрузка программы. При нажатии кнопки загрузки производится
сброс системы и устанавливается (микропрограммными средствами
пульта или оператором вручную) базовое УС. Сформированное УС
передается соответствующему ПВВ, к которому подключено адресу¬
емое УВв. Выполнение УС в ПВВ завершается передачей из УВв в
память ЭВМ блока информации, содержащего ССП и два УС (24
байта); блок размещается в ячейках ОЗУ с адресами 0 — 23.
Дальнейшее управление процессом загрузки осуществляется посред-
7 - 836 193
ством этих УС. Первоначальная загрузка завершается передачей
управления ССП.
Особое значение имеет выполняемая пультом операция срав¬
нения адресов. Сигнал при совпадении адресов (набранного пере¬
ключателями пульта и содержащегося в счетчике команд или
адресном регистре ЦП или ПВВ) позволяет произвести останов работы
системы или перейти к выполнению другой команды или программы.
Эта возможность широко используется при диагностике и наладке
как аппаратных, так и программных средств ЦП и ПВВ.
Пульты позволяют выполнять и ряд других функций, связанных
с заданием режимов работы и отображением состояния системы и
ее компонентов.
Контрольные вопросы
1. Составьте структурную схему управления клавиатурой посредством МП. Как про¬
граммным способом устраняется влияние дребезга контактов? Как выявляется одновремен¬
ное нажатие двух клавиш?
2. Как в УВв с промежуточного носителя реализуется контроль вводимой информации?
3. Перечислите основные функции, реализуемые при автоматическом вводе текстовой
информации. Какими параметрами принято характеризовать ЧА?
4. Перечислите виды специальных шрифтов и области их использования. Какие
признаки используются для составления описания символов?
5. В чем суть корреляционного метода распознавания символов в ЧА?
6. Какими параметрами характеризуются ПчУ?
7. Перечислите основные способы регистрации и дайте сравнительную характеристику.
8. Составьте структурную схему управления ПчУ матричного типа (а), с лепестковым
шрифтоносителем (б). Как достичь ускорения печати?
9. Составьте структурную схему управления параллельным ПчУ со шрифтоносителем
в виде бесконечной ленты. Как достичь ускорения печати?
10. Перечислите основные типы индикаторов и дайте сравнительную характеристику.
11. Разработайте схему управления отображением символов при полноформатном рас¬
тровом методе их формирования.
12. Как реализуется управление положением маркера? Как реализуются основные
функции редактирования?
13. Перечислите основные функции пультов ЭВМ.
Носители информации, устройства и системы подготовки данных подробно описаны в
[11,17,34,37]. Работа клавиатуры и управление ею посредством МП подробно рассмотрено
в [18]. Принципы действия и конструкции УВв с ПЛ и ПК изложены в [11,27,34]; работа
таких устройств в составе системы IBM 370 — в [43]. Распознавание печатных символов и
работа ОЧА описана в [15]. Методы регистрации информации подробно изложены в [11],
этому же вопросу посвящен специальный выпуск журнала [51]. Управление параллельным
ПчУ наиболее подробно рассмотрено в [43], а последовательными ПчУ — в [56]. Принципы
получения видимого изображения на экране описаны в [6,22,46,48]; управление
формированием символов на экране — в [22], а схемы управления на базе МП— в [19].
6. УСТРОЙСТВА И СИСТЕМЫ ВВОДА-ВЫВОДА
ГРАФИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
Устройства и системы ввода-вывода графической информации находят широкое
распространение благодаря компактности и наглядности графического способа представ¬
ления информации для человека. Основными областями применения являются системы
автоматизированного проектирования, обработки изображений, обучения, управления
процессами и мультипликации.
По назначению и выполняемым функциям все УВВ графической информации мож¬
но подразделить на устройства ввода (ручные, полуавтоматические, автоматические) и
вывода, которые, в свою очередь, включают в себя устройства отображения и регистрации.
Совокупность устройств отображения и ручного ввода называют графическим дисплеем
(ГД). Он представляет собой сложную систему, предназначенную для работы пользова¬
теля с ЭВМ в диалоговом режиме на уровне графических образов. Как правило, устрой¬
ства отображения графической информации индивидуального пользования используют¬
ся не самостоятельно, а лишь в составе ГД, поэтому в дальнейшем они не выделяются в
отдельную группу устройств.
6.1. Классификация и структурные схемы графических дисплеев
Графические дисплеи принято классифицировать по принципам
сканирования экрана; типам применяемых индикаторов; цветности
изображения.
По принципу сканирования экрана ГД подразделяются на
дисплеи с произвольным сканированием (функциональные) и раст¬
ровые. При произвольном сканировании изображение формируется
путем перемещения светового пятна ЭЛТ по контуру изображаемого
объекта. В растровых ГД электронный луч (если иметь в виду ЭЛТ)
всегда независимо от вида изображения перемещается по одному и
тому же закону, а само изображение формируется путем управления
интенсивностью луча.
По типу применяемых индикаторов выделяются ГД на ЭЛТ и
плоских матричных экранах. В качестве ЭЛТ применяются черно¬
белые или цветные ЭЛТ с малым временем послесвечения и
специальные ЭЛТ с запоминанием информации, называемые за¬
поминающими (ЗЭЛТ). В течение ряда лет ведутся работы по
Уменьшению габаритов ГД путем замены ЭЛТ (ЗЭЛТ) плоскими
Гранами. В настоящее время наибольшие достижения получены в
Разработке матричных тонкопленочных электролюминесцентных экра¬
нов, газоплазменных экранов и экранов на базе матричных
сВетодиодных структур и жидких кристаллов. Однако их применение
195
ЭВМ
,_Ш=ДГ
кп
БВвГрИ
-Т L
JT
И
т
4, ^
а)
Рис. 6.1
пока ограничивается малыми размерами экрана, моноцветностью и,
в ряде случаев, низкой разрешающей способностью.
По цветности изображения ГД подразделяются на монохро¬
матические и цветные; эта характеристика определяется цветовыми
возможностями применяемого индикатора.
В зависимости от принятого принципа сканирования и типа
индикатора определяется внутренняя структурная организация ГД.
ГД с произвольным сканированием изображения включает в себя
следующие блоки (рис.6.1,а): дисплейный процессор (ДП), ОЗУ
регенерации (ОЗУ РЕГ), алфавитно-цифровую клавиатуру с
клавишами управления режимами (Кл), блок ввода графической
информации (БВвГрИ) и индикатор (И).
Дисплейный процессор представляет собой специализированный
процессор с собственным набором команд, специфическими форма¬
тами данных и собственным счетчиком команд. Функции ДП
заключаются в выполнении последовательности дисплейных команд,
образующих дисплейную программу формирования рисунка на экране.
Дисплейная программа, называемая также дисплейным файлом,
описывает изображение. Она формируется в ЭВМ и пересылается в
ОЗУ регенерации для запоминания. Дисплейная программа представ¬
ляет собой последовательность команд вывода точек, прямых, дуг,
окружностей, символов. ДП читает команды дисплейной программы
и выполняет необходимые действия по управлению электронным
лучом. Кроме того, если индикатор не запоминает информацию, в
функции ДП входит организация регенерации изображения с
требуемой частотой, которая осуществляется путем периодического
выполнения дисплейной программы. ДП принимает и обрабатывет
информацию от клавиатуры и из блока ввода графической инфор¬
мации и вносит соответствующие изменения в дисплейную программу.
Структуру ГД можно существенно упростить, если в качестве
индикатора использовать ЗЭЛТ. При этом отпадает необходимость в
ОЗУ регенерации, так как ДП синхронно с приемом дисплейной
196
программы обрабатывает команды и рисует изображение на экране.
Запоминание информации на экране ЭЛТ позволяет не только
упростить структуру ГД, но и отображать более сложную графиче¬
скую информацию благодаря отсутствию временных ограничений (в
дисплеях на ЭЛТ без запоминания ДП должен за один такт
регенерации преобразовать весь дисплейный файл). При этом к ДП
предъявляются не столь высокие требования по скорости обработки
команд. Однако ЗЭЛТ для изменения части изображения требует
стирания всего экрана с последующим повторным выводом изменен¬
ного изображения; как следствие в таких ГД отсутствует возможность
вывода движущегося изображения и организации интерактивного
режима работы.
В растровых ГД (рис.6.1,6) картинка запоминается в видеоЗУ
в виде композиции точек, называемых пикселами. Каждому пикселу
на экране соответствует определенная точка — растровый элемент.
Изображение формируется путем синхронного опроса ячеек видеоЗУ
и перемещения луча по строкам экрана ЭЛТ. При этом значение
пиксела, считанного в данный момент из видеоЗУ, отображается в
виде дву- или многоградационного изображения растрового элемента.
ДП должен выполнять следующие функции: преобразование дисплей¬
ного файла, хранящегося в ОЗУ, вычисление пикселов по инфор¬
мации, записанной в дисплейных командах; запись пикселов в
видеоЗУ; формирование цикла регенерации информации из видеоЗУ
на экран с заданной частотой. В тех случаях, когда оператор
производит редактирование графической информации путем переме¬
щения, поворотов, масштабирования всего изображения или его
фрагментов, ДП с высокой скоростью производит перерасчет
координат всех пикселов и регенерацию экрана. Это существенно
усложняет функции дисплейного процессора, так как для за¬
поминания любых графических элементов ДП должен рассчитать
координаты всех составляющих пикселов. Кроме того, любые
процедуры редактирования, связанные с изменением положения
графических элементов на экране или их размеров, требуют пересчета
всех пикселов.
6.2. Графические дисплеи с произвольным сканированием
Графические дисплеи с произвольным сканированием подразде¬
ляются на точечные и векторные. В точечных дисплеях любая
картинка рисуется из отдельных точек, координаты которых в
произвольном порядке задаются в дисплейной программе. В векторных
Дисплеях изображение составляется из отдельных прямых (векторов),
Которые задаются в дисплейной программе координатами начальных
и конечных точек.
Точечные ГД формируют изображение в виде совокупности
^чек, координаты которых задаются в командах дисплейного файла.
Для управления рисованием ГД должен иметь по крайней мере два
типа команд:
197
ОЗУ
Ргк
СчК
РгХ
ЦАП
РгУ
L--3Г—
I
ЦАП U-H
I
Ф
X
6УЛ
БУ
“Г
I
I
—н
Рис. 6.2
РИС ТЧК X Y — команда рисования точки;
БПП А — команда безусловного перехода.
Левое поле команды представляет собой код операции (КОП)*
в котором записывается тип команды. Поля X и У предназначаются
для указания координат точки. Поле А используется для перехода
к первой команде дисплейной программы с целью организации ее
циклического исполнения для регенерации изображения.
В структурную схему точечного ГД (рис.6.2) входят следующие
элементы: счетчик команд (СчК), вычисляющий адрес следующей
команды дисплейной программы; регистр команд (РгК), фиксирующий
команды на период их выполнения; регистры РгХ и РгУ,
фиксирующие координаты точки для выполняемой команды; цифро-
аналоговые преобразователи ЦАПх и ЦАПу , осуществляющие
преобразование цифровых координат отображаемой точки в напря¬
жения отклонения луча ЭЛТ по координатам X и Y. ГД
функционирует следующим образом. Центральный процессор ЭВМ
формирует описание изображения в виде дисплейной программы и
записывает ее в ОЗУ. Далее управление рисованием передается ДП
путем занесения в СчК адреса первой команды дисплейной
программы. Перебор всех команд программы за период отображения
кадра осуществляется путем приращения СчК.
Программа ДП для рисования контура, образованного из п точек
— узлов сетки экрана, представляет собой последовательность из
(я+1) команд. Первые п команд (по числу точек контура) являются
командами рисования отдельных точек; они отличаются только
координатами формируемой точки на экране. При выполнении каждой
команды луч перемещается в точку экрана, координаты которой
содержатся в команде, а затем производится его «включение»-
Последняя команда является командой перехода. Содержащийся в
198
ней адрес представляет собой адрес
первой команды программы в ОЗУ и
загружается на счетчик команд СчК.
Этим обеспечивается беспрерывное
циклическое выполнение программы,
т.е. регенерация изображения. Чтобы
изменить изображение на экране, ЦП
должен изменить дисплейную програм¬
му. Основной недостаток точечных
ГД— непроизводительная трата вре¬
мени ЦП на вычисление координат
каждой рисуемой точки изображения.
От этого недостатка свободны вектор¬
ные ГД.
Векторные ГД вычисляют ко¬
ординаты каждой отображаемой точки,
оставляя за ЦП формирование дисплей¬
ной программы, команды которой со¬
держат координаты начальной и
конечной точек отрезков прямых, на¬
зываемых векторами. Рисование векто¬
ров осуществляется автоматически специальным блоком — генерато¬
ром векторов, или генератором напряжений развертки. Для задания
координат начала и конца вектора используют абсолютные или
относительные координаты, что отражается на форматах команд и
структуре ДП.
Принципы организации Г Д. На рис. 6.3 приведена
схема векторного ГД, работающего в абсолютных координатах.
Для формирования изображения, составленного из векторов, ДП
должен иметь следующий набор команд:
ЗАГР.Х X — загрузить X,
3APP.Y Y — загрузить Y и переместить луч в позицию X,Y,
РИС.ТЧК Y — загрузить Y, переместить луч в позицию X,Y и нарисовать точку,
РИС.ВКТ Y — загрузить Y и нарисовать вектор от точки XH,YH до точки X*,YK, где
индексы «н» и «к» означают начало и конец вектора,
БП А — безусловный переход.
Для хранения начальных и конечных координат вектора в ДП
предусмотрены регистры РгХн, PrYH и РгХк, PrYK соответственно. На
каждом шаге рисования в них осуществляется загрузка координат,
Под управлением которых генератор векторов осуществляет управ¬
ление лучом. В начале следующего шага производится передача
с°Держимого регистров РгХк и PrYK в регистры РгХн и PrYH, а на
Регистры РгХк и PrYK загружаются координаты конечной точки
бедующего вектора из следующей команды, зафиксированной на
РгК.
199
От ЭВМ К ЭВМ
Ниже приведена программа рисования треугольника ABC,
показанного на рис.6.4,о.
Метка
НАЧ
коп
Коорди¬
ната
Комментарий
ЗАГР. X
100
загрузка Ха
ЗАГР. Y
100
загрузка Ya, перемещение луча в т. А
ЗАГР. X
300
загрузка Хь
РИС. вкт
0
загрузка Yb, рисование АВ
ЗАГР. X
400
загрузка Хс
РИС.ВКТ
350
загрузка Yc, рисование ВС
ЗАГР. X
100
загрузка Ха
РИС. вкт
100
загрузка Ya, рисование СА
БП
НАЧ
возврат к началу
Основным недостатком ГД, работающих с абсолютными ко¬
ординатами векторов, является относительно большая загрузка ЦП
в режиме редактирования графической информации, так как
изменение положения графических элементов на экране ведет к
необходимости вычисления новых координат каждого вектора, а
следовательно, к формированию новой дисплейной программы.
Ниже приведен пример изменения дисплейной программы,
обеспечивающей перемещение треугольника ABC (рис.6.4,а) на — 50
растровых единиц по координате X и на +100 единиц по координате
У (рис.6.4,б).
КОП
Координаты
Комментарий
ЗАГР. X
50
100-50
ЗАГР. Y
200
100+100
ЗАГР. X
250
300-50
РИС. вкт
100
0+100
ЗАГР. X
350
400-50
РИС. ВКТ
450
350+100
ЗАГР. ВХТ
50
100-50
РИС. ВКТ
200
100+100
БП
НАЧ
В колонке комментария иллюстируются действия, производимые
ЦП. Если описание вектора задать в относительных координатах, то
200
функции ЦП в режиме редактирования можно существенно сократить,
так как для перемещения картинки достаточно, чтобы ЦП изменил
только те команды описания графического изображения, которые
задают координаты его начальной точки. Координаты остальных
векторов ДП будет вычислять относительно их текущих значений.
Для осуществления этого в систему команд ДП необходимо ввести
команды, обеспечивающие рисование в относительных координатах.
Расширение функций ДП ведет к усложнению его структуры (рис.
6.5). В состав ДП вводится сумматор (СМ) для вычисления координат
по их абсолютным и относительным значениям. Если в команде,
принятой на РгК, указана абсолютная координата, то открывается
вход А и с выхода СМ код координаты переписывается на
соответствующий регистр. При выполнении команды, содержащей
относительные координаты, открываются входы А и В сумматора,
причем на вход В поступает абсолютное значение координаты
начальной точки, которое хранится в РгХн (или РгУн); СМ вычисляет
текущее значение координаты конечной точки Хк (или YK). В этом
случае дисплейная программа для рисования треугольника на
рис.6.4,а, записанная в командах с абсолютными и относительными
координатами, преобразуется к следующему виду:
Метка КОП Координата
НАЧ ЗАГР. Хабе 100
ЗАГР.Уабс 100
ЗАГР. Хоти 200
РИС. ВКТотн -100
ЗАГР. Хотн 100
РИС. ВКТотн 350
ЗАГР. Хотн -300
РИС. ВКТотн -250
БП НАЧ
Комментарий
загрузка Ха в РгХн
загрузка Ya в PrYH
Хьотн+(РгХ„) — (РгХк)
YboTH + (PrYH) — (PrYx), рисование АВ,
(РгХк) — (РгХ„), (PrYK) — (PrY„)
Хс отн + (РгХн) — (РгХк)
Ycoth + (PrYH) — (PrYK), рисование ВС,
(РгХк) — (РгХ„), (PrYK) — (PrY„)
Хв отн + (РгХн) ~ (РгХх)
YB отн + (PrYH) — (PrYK), рисование СА,
(РгХк) — (РгХ„), (PrYK) — (PrY„)
Для перемещения графического изображения необходимо
изменить только координаты начальной точки; при этом ЦП изменяет
лишь две первые команды дисплейной программы. Остальные
Действия по рисованию измененного изображения выполняет ДП.
При смещении треугольника по оси X на — 50 и по оси Y на +100
еДиниц, эти команды примут вид ЗАГР.Хабс 50 и ЗАГР.Уабс 200.
^стальные команды изменений не претерпевают.
201
Рис. 6.4
Генератор векторов. Качество изображения на экране
и скорость рисования картинок во многом определяются генератором
векторов. Генератор векторов представляет собой схему, преобразу¬
ющую абсолютные координаты вектора или приращения между его
начальными и конечными точками в такие формы отклоняющих
напряжений, в результате действия которых между этими точками
вычерчивается отрезок прямой. Функции формирования отклоняющих
напряжений могут быть реализованы как цифровыми, так и
аналоговыми схемами. При этом генераторы векторов должны
отвечать следующим требованиям: отрезки линий должны быть
прямыми, яркость линии не должна зависеть от ее длины и должна
быть постоянной, вычерчивание отрезка должно производиться быстро
с целью вывода большого количества отрезков без мелькания.
Выполнение указанных требований является довольно сложной
задачей. Так, постоянная яркость векторов любой длины может быть
достигнута либо перемещением луча с постоянной скоростью для
всех векторов (тогда реализуется задача попадания одного и того же
количества электронов в каждую точку отрезка прямой), либо
изменением интенсивности луча для векторов различных длин (чем
длиннее вектор, тем выше интенсивность луча). В общем случае
задача состоит в том, чтобы управлять интенсивностью электронного
луча в зависимости от скорости его перемещения. Таким образом,
генератор векторов должен управлять тремя параметрами: откло¬
нением по X, отклонением по Y, интенсивностью луча.
Для формирования сигналов отклонения используются два
способа генерации: аналоговый и цифровой.
При аналоговом способе генераторы векторов строятся на базе
аналогового интегратора, вырабатывающего опорное пилообразное
напряжение, изменяющееся линейно от нуля до максимума за время
Т. Отклоняющие напряжения U* и Uy получаются путем умножения
опорного пилообразного напряжения на сигналы, полученные от
приращения координат X и Y. В результате на усилители
202
отклоняющей системы подаются плав- отзвм кзвм
ные сигналы и на экране формируется
«плавная» прямая.
Цифровой способ генерации векто¬
ра состоит в пошаговом увеличении
(или уменьшении) содержимого
регистров, фиксирующих начальные ко¬
ординаты вектора с частотой,
пропорциональной приращениям X и Y.
Выходы регистров связаны с усилите¬
лями отклоняющей системы через ЦАП.
При данном способе генерации векторов
на отклоняющую систему подаются
напряжения ступенчатой формы. В
результате на экране рисуется вектор
с «зазубринами», так как электронный Рис. 6.5
луч перемещается только в адресуемые
точки экрана. На рис. 6.6 показаны формы сигналов Ux и Uy и
результат рисования вектора аналоговым и цифровым генераторами
векторов.
Современные высокопроизводительные ГД с аналоговыми гене¬
раторами векторов рисуют короткий вектор за 1 — 2 мкс, длинный
вектор во весь экран — за 15 — 20 мкс. При использовании цифровых
генераторов короткие вектора рисуются значительно быстрее — за ОД
мкс, а длинные, адресуемые 10-разрядными регистрами и
формирующие 1024 приращения, — за 30 мкс.
Для создания цветного изображения в векторных ГД необходимо
использовать специальные ЭЛТ, в которых цвет свечения люминофора
зависит от интенсивности его возбуждения. В этом случае генератор
векторов управляет интенсивностью электронного луча в зависимости
от требуемого цвета изображения вектора. В дисплейных командах
предусматривается дополнительное поле, в котором указывается код
цвета.
Рассмотренные ДП векторных дисплеев позволяют строить на
экране различные фигуры из последовательностей отрезков прямых
и перемещать их по экрану. Однако часто требуется производить
более сложные преобразования изображений — масштабирование и
поворот всего или части изображения. Все процедуры преобразования
изображения выполняются с помощью матричных преобразований
начальных и конечных координат векторов, которые осуществляет
векторный ДП. Матричные преобразования являются математической
°сновой не только векторных ГД, но и любых устройств, реализующих
Функции машинной графики.
Математические основы векторной машин¬
ной графики. Изображения в ГД представляются с помощью
^чек и линий. Любые графические преобразования определяются их
203
Ч
t
а)
Yk
б)
Рис. 6.6
преобразованием на плоскости и в пространстве. При работе с
изображением оператор перемещает картинку или ее компоненты,
изменяет масштаб, вращает и т.д. Такие преобразования выполняются
на основе математических методов, описанных ниже.
Представление и преобразование точек. На плоскости точка
задается координатами X и Y, значения которых можно рассматривать
как элементы матрицы и представить в виде вектора-строки X,Y
или вектора-столбца X. Последовательность точек можно представить
в ЭВМ матрицей чисел. Путем преобразования матрицы управляют
положением точек, которые определяются правилами матричной
алгебры.
Пусть заданы матрицы А и В и задана их взаимосвязь А Т=В;
матрица Т называется матрицей преобразования. [Если известны
матрицы А и В, то Т=А-1 В, где А"1 — обратная квадратная матрица
А.] Перемножение матриц можно использовать для геометрических
преобразований над системами точек, описываемых матрицей А*
204
Матричное умножение является основой математических преобразо¬
ваний в машинной графике.
При умножении матрицы [X Y] , определяющей координаты
точки Р, и матрицы преобразования Т =
а Ъ
с d
общего вида имеем:
[X Y]
а b
с d
= [(яХ + cYHftX + dY)] = [X* Y*]
Эта запись означает, что начальные координаты X и Y
преобразуются в координаты X* и Y* ,
где X* = аХ + cY, Y* = ЪХ + dY.
Рассмотрим несколько частных случаев матрицы Т.
1. Пусть a = d= lnc = b = 0. Тогда матрица преобразова¬
ния имеет вид: Т =
1 О
О 1
а полученный результат преобразования совпадает с исходной мат¬
рицей: [X Y ]
1 О
О 1
= [X Y] = [X Y ],
при этом изменения координат точки Р не происходит.
2. Пусть d = 1, ft = с = 0, т.е.
'а О
[X Y]
О 1
[аХ Y] = [X Y ].
В результате изменяется масштаб по оси X на масштабный
коэффициент а, т.е. происходит перемещение исходной координаты
по оси X (рис.6.7,а).
3. Точно так же для матрицы преобразований вида Т =
получим в результате умножения следующее выражение:
[X Y][J fx dY]9
1 О
О d
которое обеспечит перемещение точки Р по оси Y, рис.6.7,б.
4. Если задать ft = с = 0, то в результате преобразования
получим: [X Y ]
а О
О d
= [аХ dY] =[Х Y ],
Что приведет к изменению положения точки Р по осям X и Y,
Рис.6.7,п.
5. При а = d = с = Q, получим
205
Рис. 6.7
[X Y]
[X (ЬХ + Y) ] = [X Y ],
в результате чего координата X точки Р не изменится, а значение
координаты Y будет линейно зависеть от начальных координат
(рис.6.7,г); этот эффект называется сдвигом. Аналогичная ситуация
имеет место при д = */=1и£ = 0в отношении координаты Y
(рис. 6.7,3).
6. Если значение а (и/или d) отрицательны, то имеет место
отображение координат точек, т.е. их перемещение относительно
начала координат на 180 .Так, при b = с = 0, d = 1 и а = — 1
имеем [X Y] =
-1 0
0 1
[-Х Y] = [X Y ],
т.е. отображение происходит относительно оси Y (рис.6.7,е).
7. При b=c = 0nd = a= — 1 отображение происходит
относительно начала координат (рис.6.7,ж):
[X Y] =
-1 0
0 -1
[-X-Y].
Таким образом, члены правой диагонали матрицы преобразо¬
ваний обеспечивают операцию сдвига по координатам точки Р, а
члены левой диагонали — изменение масштабов и отображение.
Преобразование отрезков прямых. Отрезок прямой задается
координатами двух точек. На рис. 6.8,а показан отрезок АВ, который
задается координатами точек А и В соответственно [0 1 ] и [2 3 ].
206
Пусть матрица преобразований имеет следующий вид Т
1 2
3 1
Умножение на эту матрицу эквивалентно операции сдвига.
Используя умножение матрицы Т на векторы положения для точек
А и В, получим преобразованные вектора А и В :
*1 2
АТ = [0 1 ]
ВТ = [2 3]
= [3 1 ] = А ;
= [И 7] = В .
Таким образом, координатами преобразованной точки А явля¬
ются X = 3, Y = 1, а точки В соответственно X = 11, Y = 7. В
более компактном виде прямая АВ описывается матрицей
L = Г° 1-
2 3
Перемножение матриц L и Т дает значение
L Т =
о Г
“l 2
3 5'
2 3
3 1
II
И 7
= L
Преобразованное положение прямой АВ показано на рис.6.8,а
(прямая А В ); при этом операция сдвига увеличила длину и
изменила ее положение. Таким образом, положение отрезка прямой
можно преобразовать в любое новое положение простым преобразо¬
ванием ее начальных и конечных точек и последующим проведением
линии между вновь полученными точками.
Как частный случаи, рассмотрим масштабирование отрезка АВ,
проведенного из начала координат (рис.6.8,б). Пусть его масштаб
увеличивается в два раза по каждой координате. Матрица преобра
зований для такого масштабирования Т =
2 О
О 2
О О
2 2
0 0'
2 0"
0 0
2 2_
0 2
4 4
Исходная прямая АВ определяется матрицей L
Для изменения масштаба прямой АВ перемножим матрицы
L Т =
При этом промасштабированная прямая займет положение
А (Х*А - 0, Y’a = 0), В (Х’в « 4, Y*B = 4).
Вращение. В ряде случаев требуется изменить ориентацию
Фигуры в поле экрана, т.е. произвести ее поворот вокруг начала
координат. Это достигается также путем перемножения матриц, одна
207
а)
б)
Рис. 6.8
из которых задает координаты вершин фигуры, другая является
матрицей преобразований. Предположим, что требуется повернуть
[3 Ч1
треугольник (рис.6.9,а), описываемый матрицей 4 1 , на 90'
2 1
вокруг начала координат против часовой стрелки. В этом случае
i0
матрица преобразований имеет
вид 1
ч __
0 1
Г1 0
После перемножения получим:
'з -1"
4 1
2 1
. * J
. _ *
0 1
-1 0
=
1 3
-1 4
-1 2
и треугольник займет положение А
Если не
относительно
В С
Если необходимо повернуть треугольник на 180и (рис.6.9,б)
:ительно начала координат, необходимо вы
выполнить умножение
208
Рис. 6.10
-1 о"
8 1
-1 0'
-8 -1"
на Т =
0 -1
в результате получим:
5
7 3
6 2
0 -1
-7-3
-6-2
Отображение. Вращение осуществляется вокруг оси, пер¬
пендикулярной к плоскости X Y. Отображение определяется поворо¬
том на 180° вокруг оси, лежащей в плоскости XY (рис. 6.10,а). Так,
для поворота треугольника ABC вокруг линии Y = X требуется
матрицу описания треугольника умножить на матрицу преобразо¬
вания
Т =
0 Г
, т.е.
8 1
7 3
'о Г
1 8
3 7
1 0.
6 2
1 0
2 6
Для вращения вокруг горизонтальной оси (рис.6.10,6) необходимо
1 0
8 1
'l o'
8-1'
Т =
0 -1
т.е.
7 3
0 -1
=
7 -3
)
6 2
6-2
L -J
в результате чего получим зеркальное относительно X отображение
треугольника.
Масштабирование. При рассмотрении вопроса преобразования
точек было показано, что изменение масштаба определяется значе¬
нием членов левой диагонали матрицы преобразований Т =
а 0
0 d
В общем случае масштаб по осям X и Y может быть неодинаков
и зависеть от значений and соответственно. При а = d каждая
точка рисунка масштабируется по осям X и Y пропорционально.
Пусть требуется увеличить изображение треугольника ABC,
"3 Г
так, что масштаб по оси X равен 2,
описываемого матрицей
1 2
2 3
209
2 О
О 3
Гз 1
2 0
6 3'
1 2
О 3
=
2 6
2 3
4 9
а по оси Y равен 3, матрица Т=
а результат преобразования запишется :
В итоге изменится положение и длины сторон треугольника,
как показано на рис. 6.11.
6.3 Графические дисплеи растрового типа
По своим характеристикам и возможностям растровые ГД
существенно отличаются от дисплеев с произвольным сканированием.
Они позволяют создавать изображение с непрерывным уровнем
яркости, так как вывод содержимого видеоЗУ на экран всегда
производится с постоянной частотой и обеспечивается одинаковая
яркость при вычерчивании векторов различных длин. К положитель¬
ным свойствам растровых ГД относятся отсутствие мерцания
изображения независимо от его сложности, возможность наложения
изображения из видеоЗУ на стандартное телевизионное изображение
(от телевизионной камеры или видеомагнитофона). Кроме того,
существенно проще получаются цветные изображения путем исполь¬
зования обычных масочных ЭЛТ. Единственно, в чем растровые ГД
пока уступают векторным,— это в разрешающей способности.
В растровых ГД возникает необходимость вычисления всех точек
каждого графического примитива (элементарного графического изоб¬
ражения) и записи каждой точки полученного изображения в
видеоЗУ. Такое видеоЗУ должно обладать большой емкостью и
высоким быстродействием; его временные характеристики должны
быть согласованы с временными диаграм¬
мами работы видеомониторов.
В отличие от векторных растровые
ГД имеют более сложную последователь¬
ность преобразования исходного дисплей¬
ного файла в изображение на экране,
которую можно представить в виде двух
самостоятельных этапов: векторных и рас-
тровых преобразований. Наиболее просто
реализуются основные процедуры переме¬
щения, поворота, масштабирования на
векторном уровне, как описано выше. В
результате векторных преобразований
исходного файла получают преобразован-
ный векторный дисплейный файл, подго¬
товленный к преобразованию в растровую
210
Йрму. На этапе растровых преобразований каждый вектор заменя-
я последовательностью пикселов, записываемых в видеоЗУ для
последующего вывода на индикатор.
Структура растрового ГД. В большинстве ГД растрового типа
можно выделить следующие блоки (рис.6.12): векторный графический
процессор (ВГП), ОЗУ дисплейного файла (ОЗУ ДФ), растровый
графический процессор (РГП), видеоконтроллер (ВК), видеомонитор
(ВМ) и блок интерактивного взаимодействия (БИВ) оператора с ГД.
Наличие двух процессоров опредляется выполнением в ГД двух
самостоятельных задач. Первая задача связана с приемом исходного
файла из ЭВМ и его преобразованием под воздействием интер¬
активных средств БИВ. Ее решает ВГП. Вторая задача определяется
спецификой растровой системы развертки, т.е. преобразованием
изображения (точек, линий, областей) в массив пикселов. Эта задача
решается посредством РГП.
Рассмотрим взаимодействие процессоров в ГД при решении
указанных задач, полагая для простоты, что на вход ВГП поступает
дисплейный файл, имеющий ту же структуру, что и в векторных
ГД, т.е. в виде последовательности дисплейных команд, описывающих
начальные и конечные координаты векторов с указанием соответст¬
вующих атрибутов (яркости, цвета и т.д.). Процессор ВГП принимает
дисплейный файл и размещает его в ОЗУ ДФ. РГП работает под
управлением своей программы; дисплейные команды, записанные в
ОЗУ ДФ и описывающие вектора, являются для него исходными
данными, которые должны быть преобразованы в пикселы програм¬
мным или аппаратным способом. Вычисленные точки каждого вектора
между его начальными и конечными координатами в виде пикселов
записываются в видеоЗУ. Видеоконтроллер формирует видеосигналы
на видеомонитор, для чего производит периодический с заданной
частотой опрос ячеек видеоЗУ и считывает записанные в них пикселы.
Исходный дисплейный файл может подвергаться изменениям с
пульта оператора посредством различных интерактивных средств,
таких, как клавиатура, кнопочное устройство вызова заданных
функций, указатели положения по осям X и Y (световое перо,
планшет с указкой), валюаторы (вращающиеся ручки). При этом
ВГП с помощью своих программ обрабатывает запросы с БИВ и
производит необходимые изменения в дисплейном файле, располо¬
женном в ОЗУ ДФ (стирание, замену, поворот, масштабирование).
Кроме рассмотренных функций РГП совместно с ВК выполняет
Функцию кадрирования, которая заключается в следующем. В общем
случае «поле» координат, в котором формируется изображение,
значительно превышает поле координат экрана видеомонитора. По
аналогии с термином «виртуальная» память поле координат РГД
Можно назвать виртуальным пространством отображения. Его раз¬
мерность для различных ГД составляет от 4 до 64 К точек по каждой
Из координат.
211
Рис. 6.12
Для воспроизведения всего виртуального пространства требуется
выполнить программное масштабирование дисплейного файла посред¬
ством ВГП, что приводит к потере мелких деталей изображения.
Поэтому обычно задают «окно», выделяющее небольшую часть
виртуального пространства отображения, и на экране ВМ отобража¬
ется графическая информация только в пределах этого окна.
Операция формирования «окна» называется кадрированием. По
полученному списку векторов, попадающих в пределы «окна», РГП
вычисляет пикселы для записи в видеоЗУ.
Для перемещения окна по всему виртуальному пространству при
просмотре всего изображения РГП в реальном времени изменяет
содержимое видеоЗУ, что требует от РГП быстродействия в сотни
тысяч пикселов в секунду.
Кадрирование выполняется программными и аппаратными сред¬
ствами. Программное управление кадрированием обеспечивается
сравнением адресов виртуального пространства отображения в «окне»
и выделенной области адресов, совпадающей с «окном». Данный
способ реализации требует высокопроизводительных РГП большой
стоимости и сложности. Процедура аппаратного кадрирования назы¬
вается панорамированием. Она выполняется в ВК с помощью
счетчиков горизонтального и вертикального сканирования, на которые
заносится базовый адрес окна (координаты X и Y первого пиксела
окна), а также счетчиков размера окна.
В зависимости от требований, предъявляемых к цветности
изображений, растровые ГД можно подразделить на четыре вида,
способных формировать двухградационные, тоновые, цветные (с
постоянным цветом и изменяемым цветом) изображения.
212
В двухградационных ГД видеоЗУ имеет одну пло¬
скость, т.е. содержит по одному биту на пиксел (рис.6.13,а). Выборка
пикселов осуществляется путем циклического просмотра видеоЗУ по
строкам с помощью счетчика адресов по X и У, содержимое которых
увеличивается на единицу синхронно с формированием генератором
растра сигналов строчной и кадровой развертки. Адресуемый пиксел
выбирается из видеоЗУ и поступает на вход модулятора ЭЛТ,
открывая его, если значение данного пиксела равно единице; в
противном случае данный растровый элемент строки не подсвечива¬
ется.
Для создания тонового черно-белого изображе¬
ния видеоЗУ имеет несколько плоскостей, число которых опреде¬
ляется количеством градаций черно- белого тона, т.е. разрядностью
пиксела п . Разрядность пиксела п и число градаций тона L связаны
соотношением: n=log 2 L. Считанный из видеоЗУ двоичный код
пиксела (рис.6.13,б) преобразуется на ЦАП в напряжение, соответ¬
ствующее требуемому уровню интенсивности тона.
Цв етные изображения могут быть получены двумя
способами.
Первый способ базируется на первичной форме описания
графической информации в исходном дисплейном файле и формирует
изображение с постоянно заданным цветом. В этом случае в ячейки
видеоЗУ, соответствующие вычисленным координатам вектора,
записываются все атрибуты цвета графической дисплейной команды
(рис.6.13,0), которая теперь содержит поля R, G и В. Двоичные
коды интенсивности красного, зеленого и синего цвета из этих полей
после считывания пиксела преобразуются в уровни напряжения на
соответствующих ЦАП. Например, для простого цветного изобра¬
жения достаточно иметь три слоя, т.е. каждый пиксел имеет три
разряда управления цветом R, G и В. Изменить цвет изображения
в данном случае возможно только путем преобразования атрибутов
цвета в дисплейных командах исходного дисплейного файла.
Второй способ позволяет выводить цветные изображения с
изменяемым цветом . Для реализации его в состав видеоконтроллера
вводится специальное ЗУ, в котором записывается таблица цветов
(рис. 6.13,г). При этом каждый пиксел содержит адрес таблицы
Цветов. Данный способ позволяет производить раскраску изображений
без измененения самого изображения, меняя адреса таблицы цветов
в соответствующих ячейках видеоЗУ. Разрядность пиксела ВидеоЗУ
определяется емкостью таблицы цветов.
Основы растровых преобразований. Дисплейный файл, посту¬
пающий из ЭВМ в растровый ГД, представляет собой описание
гРафического изображения в векторной форме. Для преобразования
векторного изображения в растровое применяются различные ал-
пэритмы развертки, основной задачей которых является вычисление
213
Пиксел Ах, 4
ВидеоЗУ
71
£
■ L
Код' пиксела
Пиксел Ах, А у
6)
Координаты Атрибуты
Вектора цвета
Дисплейная команда описания
Вектора
ВидеоЗУ
£
\к gI в I
Пиксел АХуАу
д)
ВидеоЗУ
Пиксел Ах, А у у
Адрес
/
1/
-Л
1
) Сигналы
строчной
и кадровой
развертки
на ОС
На модулятор
ЭЛТ
ЦАП
На модулятор
* ЭЛТ
ЦАП
ЦАП
ЦАП
ЦАП
ЦАП
\ R \G\ В
Значение
пиксела
Г1
ЦАП
Таблица
цветов
г)
Рис. 6.13
УК ЭЛТ
УК ЭЛТ
координат пикселов, находящихся на координатной сетке вблизи
контура развертываемого графического примитива (рис.6.14).
Поскольку основным графическим примитивом является вектор,
все дальнейшие рассуждения будут выполняться применительно к
нему. В общем случае вычисление координат точек вектора между
его начальными и конечными координатами заключается в пошаговом
увеличении X и вычислении значения У в соответствии с уравнением
прямой
214
Y = тХ +' Ь, где т = (Ук- Уч)! (Хкг-Хн).
Однако для вычисления значения У на каждом шаге необходимо
производить умножение на т, что требует существенных затрат
времени РГП, замедляет процесс развертки вектора и заполнения
пикселами видеоЗУ. Существует ряд алгоритмов, позволяющих
избежать операции умножения. К ним относятся пошаговый алгоритм
и алгоритм Брезенхема.
Пошаговый алгоритм заключается в следующем. Угол
наклона вектора определяется как т = dY/dX. Таким образом, если
задать приращения по X равным единице, то координаты следующей
точки вектора определятся как Xi+i = Xi + 7, У;+/ = У + т. Эти
выражения справедливы для всех точек вектора, т.е. на каждом шаге
вычисляется значение У на основании его значения, определенного
на предыдущем шаге. В этом случае для развертки вектора
потребуется только одна операция деления для вычисления m и
операции сложения для определения У+/ = У + т при каждом
увеличении текущего значения X на единицу; при этом шаг
приращения по X определяет приращение адреса видеоЗУ по строке.
Вычисленные значения У округляются до ближайшего целого Уюкр,
соответствующего адресу видеоЗУ по столбцу. Таким образом,
определяется адрес очередного пиксела. На рис.6.15 приведена
структурная схема пошагового алгоритма развертки вектора для
случая т< 1. Если т> 1, то теряется точность интерполяции точек
вектора, поэтому следует поменять X и У местами и установить шаг
по оси У равным 1, вычисляя и округляя значения X. Основным
недостатком пошагового алгоритма является необходимость использо¬
вания процедур округления до ближайшего целого на каждом шаге,
так как величина m является правильной дробью, а это требует
временных затрат графического процессора.
Алгоритм Брезенхема свободен от этого недостатка и
позволяет при вычислении пикселов применять только операции
сложения с целыми числами. Пусть
задан вектор (рис.6.16). Для прост- у
оты будем считать, что угол его
наклона находится в диапазоне от 0 ук
До 45°. В алгоритме используется
Управляющая переменная <5, , кото¬
рая на каждом шаге пропорциональ- у„
на разности (s-t). Предположим, что
на (г-/)-м шаге найден пиксел Ры
как ближайший к вектору. На сле¬
дующем шаге требуется выбрать
°Дин из двух пикселов Г, или Si.
Выбор осуществляется следующим
215
Рис. 6.15
образом: если <5, < 0 , то точка Si расположена
ближе к вектору и следует выбрать пиксел S,-;
если <5, > 0 , то нужно выбрать пиксел Ti%
Исходный вектор задан начальными (Хн, Ун) и
конечными (Хк, YK) координатами.
Для удобства преобразований переместим
его на координатной сетке таким образом, чтобы
начальная точка совпала с началом координат.
Тогда каждая точка вектора изменит свои
координаты на — Хн,— Ун и уравнение прямой
примет вид У = ( А У/АХ ) X. Обозначим ко¬
ординаты точки Pi-i (после переноса вектора)
через г и q. Для пикселов Si и Г, координаты
будут иметь вид Si(r+1, q)y Т{г+1У q+l)y а
координаты точки a(r+l,q+s) могут быть найдены
из уравнения прямой:
s = ( АУ/ AX)(r+l)-q.
Величина t вычисляется как
t = q + 1 — (s + q) = q + 1 — AY/AX(r +7).
Определим управляющую переменную d:
d = s - t = (AY/AX)(r + 1) - 2q - L (6.1)
Пусть s-t<0. Перепишем выражение (6.1),
обозначив AX(s - i) = <5;*
<3,- = 2(rAY - qAX) + 2АУ - AX
Так как величена AX > 0, то знак
<5Х определяется знаком (s-t) и 6, можно исполь¬
зовать в качестве индикатора для выбора пиксе¬
ла. Поскольку r=Xi-i, q=Yi-iy то Si принимает вид:
Si =2 Xi-j AY—2Yi-! АХ +
+ 2 АУ— ДХ.
(6.2)
Прибавляя единицу к каждому из индексов, получим следующее
значение:
di+1 - 2Xi AY— 2Yi AX + 2 АУ— AX.
Вычтем Si и <5l+i :
5/+i — Si = 2 AY(Xi— Xi-i) + 2 AX(Yi— Yu).
Значение X изменяется с шагом «1», следовательно,
216
дi+i= Si + 2 AY+2 AX(Yi —Yi_i).
Если Si > 0 , выбираем Ti
й тогда У/= Уi-i + 1, следовательно,
Если Si < 0, выбираем Si и
тогда Уг=У/-ь а
Si+1= Si +2 AY. (6.4)
Рис. 6.16
Таким образом, следующее значение <3;+/ вычисляется по зна¬
чению Si и в зависимости от выбора Si и Ti на предыдущем шаге.
Начальное значение <31 определяется из выражения (6.2) при ХСЮ
и Уо=0 и шаге i=l:
Si = 2 AY— АХ (6.5).
На рис.6.17 приведена структурная схема алгоритма Брезенхема
для развертки вектора. Вычисления пикселов сводятся к реализации
выражений (6.3 — 6.5), т.е. операциям сложения, вычитания к сдвига
(сдвиг заменяет операцию умножения на 2).
Требования к компонентам растровых ГД. Видеомониторы
имеют жесткую временную диаграмму, в которой время экспозиции
точки растра U всегда постоянно и определяется частотой регенерации
кадра Fp, количеством строк в кадре (К) и числом растровых
элементов в строке (М). ВидеоЗУ характеризуется временем цикла
при записи (Тзап) и считывании (Т^) информации. РГП осуществляет
вычисление пикселов видеоЗУ по заданным координатам вектора с
временем Тпик. Для организации совместной работы требуется
согласовать эти временные характеристики.
При выводе информации на ВМ опрос ячеек видеоЗУ осущест¬
вляется последовательно и синхронно с перемещением электронного
луча по строке, поэтому должно выполняться соотношение:
TV < U,
В системах с малым разрешением оно выполняется непосредст¬
венно. При увеличении количества растровых элементов экрана время
*т уменьшается и для удовлетворения данного неравенства необ¬
ходимы определенные схемотехнические решения.
Рассмотрим временную диаграмму работы ВМ (рис.6.18). Время
перемещения луча по кадру (Тк) складывается из времени его прямого
и обратного (Тк.обР) ходов. Время перемещения луча по строке
217
Начало
I ~
Вычисление аб¬
солютнык прира
щений координат
АХ - X к - X н
AV=YK-VH
|
Вычисление
приращения
2 (AY+AX)
Т
Вычисление
приращения
2AY
Вычисление
начального
значения
*ft* 2AY-AX
Изменение С ■
Увеличение
Sin= 6L + 26Y;
= *1 и
Запись пиксела
запись пиксела Тс
Si , значение У
Изменение
не меняется
6
Константа} используемая
S качестве приращения
при &i*0 [см. (6.3)]
Константа; используемая
в качестве приращения
при < 0 [см. (6.Н) J
Присвоение начальных значений
координат Вектора и максималь¬
ного значения X тпг
Сравнение X на текущем
шаге с предельным
значением
Переход к следующему
шагу вычислений
Вычисление очеред¬
ного значения 6
и определение
пиксела
Рис. 6.17
То ■ _ . Тс .
Тк
-Г С Т
Т|Г"Т
-П
■*—Ч Тс. ПР ^ j Л Тс. о5р^
L по
Jk aSp
Тк ^
Рис. 6.18
218
fc также складывается из двух компонент: времени прямого (Тсмр)
й обратного (Тсобр) ходов по строке, причем Т^пр= = Тс К, где к —
количество строк в кадре. При перемещении луча по строке
выделяются дискреты времени (U) для экспозиции каждого пиксела.
Для отображения информации на экране используется время прямого
хода по строкам.
Чтобы увеличить пропускную способность видеоЗУ, следует за
один цикл считывать m пикселов таким образом, чтобы
7V < m U. (6.6)
Значение tT зависит от количества растровых элементов М в
строке и Тс.пр:
U = W М- (6.7)
Подставляя (6.7) в (6.6), получим:
m > Тит М / Тс.пр. (6.8)
В этом случае адресация видеоЗУ организуется следующим
образом (рис.6.19). В режиме записи производится адресация каждого
пиксела. При считывании обращение осуществляется к m ячейкам с
параллельной передачей их содержимого на регистр сдвига РгСДВ.
Информация с него передается на ВМ с периодом U.
Изменение информации в видеоЗУ производится только при
обратном ходе луча по строкам и кадру.
Обозначим сумму указанных интервалов времени как 7^:
Тобр = Тк.обр + К. Тсобр.
Определим количество ячеек видеоЗУ (N), в которых можно
изменить информацию за время одного кадра, из условия
Тавр > N Тмп. (6.9)
Оценим полученные соотношения для ВМ с разрешением 200 х
х200 и 1000 х 1000 растровых элементов (РЭ) при Fp = 50Гц. Для
простоты будем полагать, что Т^п = 7V = 250 не, Т^пр = 18мс Тк.обР=
* 1 мс.
Для видеомонитора с разрешением 200x200 РЭ время строки
7>= 7^/200 = 90 мкс. Пусть Тс.пр = 68 мкс, Тсобр = 22 мкс, тогда,
согласно (6.8), m = 0,74, т.е. не требуется специальных мер для
записи и считывания пикселов из видеоЗУ. Из выражения (6.9)
°пределим
N = 21,6 103.
Таким образом, за время Тк может изменяться содержимое
Примерно половины ячеек видеоЗУ, а обновление всей памяти
^Уществляться каждые два кадра, т.е. с частотой 25 Гц.
219
Для видеомонитора с разрешением 1000x1000 растровых элемен¬
тов при тех же данных получим т > 14; N = 12 10 , т.е. необходимо
организовать одновременное считывание не менее 14 пикселов из
видеоЗУ. Для обновления информации всего видеоЗУ потребуется
1,7 с.
Однако, прежде чем произвести изменение содержимого видеоЗУ,
РГП должен вычислить новое значение каждого пиксела. Чтобы
обеспечить немерцающее изображение и восприятие плавного изме¬
нения картинки на экране, частота ее регенерации Fp должна быть
не менее 25Гц. Время на вычисление пиксела в РГП можно
определить, как
Трпг = 1/ FpMK.
Для приведенных примеров Тргп = 1мкс (для ГД 200x200 РЭ)
и ТРт = 40 не (для ГД 1000x1000 РЭ). Очевидно, что для ГД с
высокой разрешающей способностью такое время Тргп обеспечено быть
не может.
Можно несколько снизить требования к быстродействию, если
выполнить видеоЗУ в виде двух модулей. В каждый момент времени
один модуль работает в режиме регенерации на экран, второй — на
запись от РГП. Затем их функции меняются. Однако и такая
организация видеоЗУ не обеспечивает нужного быстродействия.
Требуемое быстродействие при записи и ограниченном быстро¬
действии видеоЗУ можно достичь только за счет сокращения его
емкости. Существует несколько приемов для достижения указанной
цели. Рассмотрим наиболее характерный, получивший название
«метод кодирования полос». Каждая строка растра разбивается на
последовательность полос одинаковых пикселов. Каждая полоса
220
представляется в виде пары Д, /,, где /, — атрибуты пиксела (яркость
пли Riy Gi, Вд; Di — количество пикселов данной полосы. Тогда в
видеоЗУ хранятся не отдельные описания всех пикселов, а описания
полос. Выигрыш в объеме памяти оказывается тем больше, чем
длиннее полосы в каждой строке. Метод кодирования полос позволяет
уменьшить объем видеоЗУ в среднем примерно в 10 раз, а
следовательно, и время обновления информации в видеоЗУ. Однако,
при уменьшении средней длины полосы быстро увеличивается объем
памяти, возникают трудности в изменении изображения.
Чтобы уменьшить среднее время вычисления пиксела, РГП
следует выполнить в виде мультипроцессорной системы, состоящей
из п параллельно работающих растровых графических процессоров—
РГП1, РГП2,.., РГПп (рис.6.20, а), подключенных к видеоЗУ через
общий буфер. Буфер представляет собой запоминающее устройство,
работающее по алгоритму FIFO, т.е. «первый пришел — первый
ушел». Каждый РГП загружается координатами векторов, подле¬
жащих развертке. Значение пиксела, вычисленное i-м РГП, записы¬
вается на вход буфера и с постоянной тактовой частотой,
соответствующей времени цикла обращения к видеоЗУ, проталкива¬
ется на выход. Чтобы согласовать работу буфера и видеоЗУ, тактовая
частота запоминающего устройства типа FIFO (Гбуф) в предельном
случае должна быть равна 1 /Г*™, а его емкость (L) будет
определяться быстродействием РГП и их количеством. При этом
возможно организовать конвейерную обработку векторов (В) и
последовательную загрузку пикселов (П) в буфер. Для пояснения
данного механизма работы предположим, что каждый РГП осущест¬
вляет развертку векторов равной длины, которые поступают на входы
с одинаковой задержкой во времени.
[Если Тргп = 1 мкс, а = 250 не, то L=4 ].
На временной диаграмме (рис.6.20,б) показан механизм
вычисления пикселов каждого вектора посредством РГП1, РГП2,
РГПЗ и РГП4, их загрузки на вход буфера и передачи их с выхода
на вход видеоЗУ, где П1, П2 и т.д.— номера пикселов, a Bl, В2 и
т.д.— номера векторов. Таким способом можно параллельно
вычислять пикселы различных векторов. При различной длине
векторов эта диаграмма существенно усложняется.
Растровые графические процессоры по своим функциям являются
специализированными процессорами и могут быть в схемотехническом
плане выполнены как на базе универсальных микропроцессоров, так
и в виде специализированных БИС.
Примеры структур ГД. Наиболее простыми являются структуры
для микроЭВМ. Все аппаратные модули ГД подключаются к
системному интерфейсу. В состав системы входит процессор, выпол¬
няющий функции ввода дисплейного файла (или его формирования),
Векторные и растровые операции. Исходный дисплейный файл и все
221
РГПп
'1яч
F
I
2яч
F <
0
Зяч
Уяя
Вход
дидеоЗУ
I (11 j П1 i /II (11 \П2\ (12 П2
\В1 ? В2\ВЗ\ВЧ\В1 ]В2 ,63 {
\П1 \/11 \П1 I П1 \П2 П2
82
(11 | П11 П1 1 П1 | (12
В1\В2 * А7
1 I /7/1/72
5/
I П11 П1 I (11 I
Л/
1/7/ | /7/1/7/ 1
П1 IП2
В1 В2 ВЗ ВЧ В1
Рис. 6.20
программы, под управлением которых функционирует процессор,
размещаются в едином ОЗУ, специальные программы и коды
развертки символов — в ПЗУ. В качестве устройств графического
ввода применяются планшеты различного типа, световое перо, мышь
и т.д. Как правило, такого типа простые графические системы
обладают низкой динамикой изображения и имеют разрешающую
способность от 192x240 РЭ до 640x360 РЭ.
Для повышения производительности системы разделяют функции
процессора и вводят в состав графического дисплея РГП, осуществ¬
ляющий развертку векторов. Высокопроизводительные графические
дисплеи имеют высокую разрешающую способность (1024x1024 или
2048x2048 РЭ) и организуются с использованием нескольких
внутренних интерфейсов, которые разделяют основные этапы обра¬
ботки и преобразования дисплейного файла и позволяют на каждом
этапе выполнять процедуры параллельно. На рис.6.21 представлена
структура ГД данного типа.
222
Рис. 6.21
Первый уровень, представленный системной магистралью Ml и
модулями ВГП, ОЗУ ДФ, ОЗУ системное, процессором общего
назначения (ПОН) и контроллерами периферийных устройств (КПУ),
выполняет функции приема ДФ, его размещения в ОЗУ ДФ,
векторных преобразований (под управлением ВГП, включающего
матричный арифметический процессор—МАП); при этом все систем¬
ные программы размещаются в области ОЗУ системного.
На втором уровне с помощью РГП производится развертка
векторов и литер в массивы пикселов. При этом для повышения
производительности РГП можно организовать мультипроцессорную
систему, в которой в качестве РГП используются стандартные
микропроцессоры с набором программ растровой графики или
специализированные БИС типа 1809ВГ04, функционально ориенти¬
рованные на развертку векторов. Второй уровень РГД занимает
вИдеоконтроллер (ВК) с двумя модулями видеоЗУ и ВМ, подклю¬
ченный к РГП через магистраль М2. Вычисленные пикселы через
Коммутатор К заносятся в один из модулей видеоЗУ в то время,
Когда второй модуль через мультиплексор М выдает информацию о
Предыдущем кадре на видеомонитор ВМ.
6.4. Средства для диалогового взаимодействия
Диалоговое, или интерактивное взаимодействие оператора с ГД
основывается на визуальной обратной связи. Она Заключается в том,
что ГД представляет на экране информацию, а оператор реагирует
на нее путем передачи в ГД команд с помощью устройств ручного
ввода. В результате такого взаимодействия изменяется графическая
информация на экране. Например, требуется в изображенной на
экране электрической схеме стереть линию связи между двумя
графическими элементами или добавить еще один элемент. Эти два
случая иллюстрируют два основных типа операций графического
редактирвания: указание на элемент, уже находящийся на экране,
и определение положения нового элемента (позиционирование).
Соответственно этим операциям устройства для графического диалога
называются устройствами указания (селекторы) и позиционирования
(локаторы).
Диалоговые устройства реализуются на различных принципах.
Наиболее распространенными являются устройства типа «мышь»,
«шар», «рычаг», выполняющие позиционирование; «световое перо»,
которое в зависимости от типа ГД выполняет функции указания или
позиционирования, и ряд планшетов для ввода графической инфор¬
мации.
Устройства типа «мышь», «шар» и «рычаг» осуществляют
управление специальной меткой — маркером, перемещаемым по
экрану. Их задачей является установка маркера в заданную точку
экрана, что приводит к однозначному определению ее координат.
Полученные координаты фиксируются на соответствующих регистрах
ГД и указывают адрес графического элемента, над которым
необходимо выполнить определенные процедуры (процедура обычно
задается посредством клавиатуры). Данные регистры доступны для
процессора ГД и их содержимое может быть обработано соответст¬
вующей программой: процессор может вызвать программу рисования
примитива в заданной маркером точке экрана. Одновременно
прикладная программа включает в себя команды описания этого
примитива в дисплейный файл.
Рассмотрим принцип получения координат X и У на примере
шара. Это устройство имеет две степени свободы перемещения по
плоскости. С шаром механически связаны потенциометры, на выходе
которых изменяется напряжение пропорционально перемещению
шара. На рис.6.22 приведена схема измерения одной из координат.
Нижнее положение движка потенциометра соответствует U=U0> а
верхнее — U=Umax, где U = X (или У), т.е. пропорционально поло¬
жению маркера на экране. Для получения координаты X в цифровом
виде это напряжение подается на АЦП; полученный код передается
на регистр РгДП.
Световое перо представляет собой малоинерционный указатель,
воспринимающий световой импульс люминофора экрана с помощь*0
фотоприемника, к которому лучистая энергия передается посредством
224
Г"..,
ц
АЦП
и„
РгДП
Рис. 6.22
светопровода. Оптическая система
рассчитана таким образом, чтобы при
указании световое пятно экрана на¬
ходилось в фокусе линзы пера. В растро¬
вых ГД световое перо фиксирует
указанный пиксел, а так как адрес теку¬
щего пиксела определяется счетчиками
видеоконтроллера, то, следовательно,
фиксируется его адрес в видеоЗУ. В
момент детектирования пиксела (рис.6.23)
при нажатой кнопке на пере формируется сигнал прерывания и далее
прикладная программа по команде оператора (от клавиатуры)
выполняет процедуру по преобразованию данного пиксела. В дисплеях
с произвольным сканированием определение координат светового пера
основывается на принципах временной селекции и выполняется с
помощью следящей системы. Рассмотрим работу такой системы на
наиболее простом примере точечного ГД. На экран выводится маркер,
имеющий вид перекрестия. Изображение маркера на экране
формируется специальной макрокомандой МАРКЕР, которая преоб¬
разуется в последовательность из п графических команд рисования
точек (по числу точек, образующих маркер на экране; в данном
примере на рис.6.24 п - 9):
РИС.ТЧК
СчХ,
СчУ
(рисование центральной точки Ц)
РИС.ТЧК
СчХ,
СчУ-2
(рисование точки 1)
РИС.ТЧК
СчХ,
СчУ-1
(рисование точки 2)
РИС.ТЧК
СчХ,
СчУ+1
(рисование точки 3)
РИС.ТЧК
СчХ+2,
СчУ
(рисование точки 8)
В поля координат X и Y первой команды заносятся значения
из специальных счетчиков СчХ и СчУ положения маркера; значения
полей последующих команд вычисляются путем вычитания или
добавления 1 или 2, как видно из примера.
Поле I
зрения |
ТпРЕР
Рис. 6.23
225
Если центр перекрестия совпадает с центром поля зрения
светового пера, то на его выходе формируется последовательность из
9 импульсов, принимаемая на регистр. Отсутствие какого-либо
импульса в последовательности соответствует смещению пера от
центра перекрестия. Номера отсутствующих импульсов в последова¬
тельности определяют направление смещения. В счетчики СчХ и
СчУ добавляется или вычитается 1 для компенсации смещения, и в
следующем цикле регенерации изображения маркер на экране
перейдет в положение, занимаемое пером. Если далее сохранить
последовательные команды рисования центральной точки перекрестия
маркера (с различными координатами X и У) в виде отдельного
файла, то будет создаваться видимость рисования линии световым
пером (режим рисования). При большой скорости перемещения перо
за один цикл регенерации смещается на величину, превышающую
два шага между точками, и работа схемы нарушается; поэтому в
реальных схемах предусматриваются специальные меры компенсации.
В режиме указания линия не рисуется, но в качестве координат
пера используется содержимое СчХ и СчУ. Программные средства
вычисляют расстояния графических объектов до маркера и выделяют
объект, отстоящий от маркера на кратчайшее расстояние.
В табл.6.1 приведены основные параметры некоторых ГД
векторного и растрового типов.
Таблица 6. 1
Модель
Размеры эк¬
рана, мм
Число адресу¬
емых точек
Принцип
сканирования/
Цветность
Средства интера¬
ктивного взаимо¬
действия
Скорость
рисования
мм/мкс
ЕС7064
250 х 250
1024 х1024
Функциональный/
монохроматический
Световое перо,
функциональные
клавиши
3
СМ7316
340 х 340
2048 х 2048
Функциональный/
монохроматический
СМ7304
320x287
Растровый/ полуто¬
новой
Функциональные
клавиши
СМ7306
240 х 240
1024х1024
Функциональный/
полутоновой
Световое перо,
функциональные
клавиши
8—10
Ц
1 1 1 111111
\ 111110 111
, (перо
I сдвинуто
j вправо)
/
Рис. 6.24
' / ф \
Ш©Ф®
\ \ © /'
ч \ ^ у
226
6.5. Методы и средства ввода графической информации
Устройства ввода графической информации принято характеризо¬
вать скоростью и точностью. Скорость определяется временем
считывания и преобразования информации, а точность — способами
отсчета текущих координат графического элемента и их конкретной
физической реализацией.
Процесс ввода графической информации в ЭВМ состоит из двух
этапов: считывания и кодирования. Считывание графической
информации сводится к определению координат графических элемен¬
тов (точек, отрезков прямых, графических элементов) в заданной
системе координат. Кодирование считанной графической
информации заключается в ее преобразовании в двоичный код по
заранее установленным правилам с целью последующей обработки
на ЭВМ.
По степени автоматизации этапа считывания УВв графической
информации (УВвГИ) подразделяются на автоматические, полуавто¬
матические и ручные, рассмотренные выше. В автоматических УВвГИ
процесс считывания происходит без участия человека. В полуавто¬
матических — оператор с помощью указателя (визира, карандаша и
т.д.) осуществляет поиск и выделение требумого графического
элемента.
Этап кодирования реализуется следующими методами: координа¬
тным, рецепторным, поэлементного кодирования.
Координатный метод заключается в том, что каждая точка
графического примитива привязана к координатной сетке (рис.6.25,а).
После считывания он представляется массивом точек с координатами
X и У, которые вводятся в память ЭВМ.
В основу рецепторного метода положено представление
графической информации в дискретном поле рецепторов в двоичном
коде. Поле рецепторов — это прямоугольная матрица размером тхп
элементов, на которую проектируется графическое изображение
(рис.6.25,б). Элементы матрицы, на которые попало изображение,
принимают значение кода «1», остальные — «О». Считанное с
рецепторной матрицы графическое изображение аналогично представ¬
ляется в памяти ЭВМ и используется для визуализации без
преобразований на экране ЭЛТ растрового графического дисплея.
Метод поэлементного кодирования предполагает наличие
°писаний графических примитивов с помощью специальных
графических языков. Эти описания хранятся в памяти ЭВМ в виде
библиотеки. Информация о чертеже задается последовательностью
Наименований графических примитивов с указанием их координат и
Размеров.
Методы автоматического ввода графической информации.
Стоматические УВвГИ строятся на оптических принципах считы-
Вания. Процесс считывания заключается в разбиении изображения
227
Номер
точка
Координаты
X
У
1
03
04
г
03
05
3
03
06
4
03
. 07
5
03
08
6
04
08
7
05
08 .
8
06
08
9
07
08
•
16
04
04
5
6
7
8
9
4
10
3
11
1
12
1
16
15
14
13
1 23456169*
а)
/
/
/
/
/
/
/
/
/
/
/
/
/
/
/
/
/
/
/
/
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
1
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Ф
Рис. 6.25
на элементы, степень зачерненности которых измеряется и
кодируется. Считывание элемента изображения в общем случае
включает в себя установку луча в заданную позицию, преобразование
отраженного от элемента светового потока в электрический сигнал,
преобразование электрического сигнала в цифровой код, перемещение
светового луча в следующую позицию.
В зависимости от метода считывания, принятого в данном
устройстве, те или иные пункты могут отсутствовать. В авто¬
матических УВвГИ применяют матричный, следящий и сканирующий
методы считывания графической информации.
При матричном методе графическое изображение рав¬
номерно освещается и отраженный световой поток попадает на
матрицу фотоприемников, представляющих собой рецепторное поле.
Каждый фотоприемник формирует на выходе электрический сигнал,
228
пропорциональный принятому световому потоку от соответствующего
элемента документа с изображением (в частном случае сигнал имеет
две градации). Выходы элементов матрицы последовательно
опрашиваются (например, с помощью двух счетчиков СчХ и СчУ,
которые последовательно сканируют элементы каждой строки).
Каждому состоянию СчХ и СчУ соответствует определенный
фотоприемник. Электрический сигнал с его выхода с помощью АЦП
преобразуется в двоичный код (для многоградационных графических
изображений); этот код совместно с номером фотоприемника
(снимается с выходов СчХ и СчУ) представляет описание графиче¬
ского элемента, он передается в ЭВМ или записывается на
промежуточный носитель.
Следящий метод заключается в перемещении светового
пятна по контуру линии графического изображения (рис.6.26),
которое обеспечивается следящей системой (СС). На ее входе
находится фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), воспринимающий
отраженный от носителя световой поток, создаваемый световым
пятном. Документ, расположенный на планшете, перемещается по
координате X, а каретка с источником света и ФЭУ — по координате
У.
Принцип слежения заключается в следующем. Пусть в данный
момент световое пятно занимает положение ХьУь Затем документ
переместился по координате X таким образом, что световое пятно
вышло за контур кривой и заняло положение Хг, У и За счет
увеличения светового потока от светлого фона возникает сигнал
рассогласования, который отрабатывается следящей системой, воздей¬
ствующей на механизм перемещения каретки (К) по координате X.
В результате световое пятно займет положение Хг,У2. Таким образом,
задавая перемещение документа по одной координате, можно
организовать слежение за контуром кривой по другой. В момент
совпадения светового пятна с контуром изображения осуществляется
съем координат X/ и Y, с датчиков перемещения, связанных с кареткой
и устройством перемещения документа. Данный метод считывания
имеет ограничения — невозможно считывать информацию, представ¬
ленную в виде непрерывных непересекающихся линий.
Сканирующий метод заключается в последовательном
осмотре и считывании элементов (или групп элементов) изображения
и имеет несколько вариантов: сканирование изображения световым
пятном по строкам (или столбцам), сканирование линейной апертурой
всего или части поля документа.
Сканирование изображения световым пятном наиболее распро¬
странено ввиду простоты его реализации. Световое пятно,
Формируемое источником света OJIT, лазером) с помощью системы
3еРкал или электронным способом, сканирует построчно поле
^^Умента. Отраженный световой поток воспринимается
с*)0топриемником, преобразуется в электрический сигнал, а затем с
229
помощью АЦП — в двоичный код. Автоматический ввод графиков
осуществляется следующим образом (рис.6.27). Световое пятно
перемещается от линии нижнего отсчета (ЛНО) к линии верхнего
отсчета (JIBO) с постоянной скоростью (рис.6.27,а). В момент
пересечения ЛНО начинается интервал измерения ординаты,
взводится триггер Т и СИ начинают поступать на счетчик Сч
(рис.6.27б,<з). В момент пересечения линии графика (ЛГ) триггер Т
устанавливается в ноль и на Сч фиксируется двоичный код,
пропорциональный измеренному временному интервалу Т. При
пересечении ЛВО сбрасывается счетчик и выдается код координаты.
Затем световое пятно перемещается вправо и сканирует следующий
столбец. В результате на выходе получается код координаты У и
код координаты X, пропорциональный времени перемещения свето¬
вого пятна в горизонтальном направлении.
Для автоматического ввода сложных многоградационных изоб¬
ражений (географические карты, чертежи деталей, схемы) необходимо
не только фиксировать координаты каждого считываемого элемента,
но и кодировать степень его зачерненности. Блок сканирования
перемещает световое пятно по строкам, как описано выше, причем
каждое положение светового пятна фиксируется на счетчиках
координат СчХ й СчУ. Отраженный световой поток воспринимается
фотоприемником, усиливается усилителем и преобразуется на АЦП
в двоичный код. В результате в память ЭВМ вводится описание
изображения в виде массива чисел, каждый элемент которого
описывает точку изображения как совокупность координат X/, Уу и
двоичного кода зачерненности ее.
Сканирование линейной апертурой, реализованной с помощью
линейки фотоприемников, заключается в параллельном считывании
элементов п строк. При равенстве линейки и вертикального размера
230
СИ
лг
то
9
Рис. 6.27
Документа его считывание осуществляется за один интервал
сканирования по горизонтали. Очевидным недостатком данного
варианта сканирования является его невысокая разрешающая способ¬
ность, определяемая шагом между фотоприемниками, и необходимость
Механического перемещения линейки (или документа).
Методы полуавтоматического ввода графической информации.
Полуавтоматические УВвГИ получили наибольшее распространение
в системах автоматизации проектирования вследствие высокой
Разрешающей способности. Они широко используются в качестве УВв
в ГД. Данные устройства реализуются на электромеханическом,
аКустическом, электрическом принципах.
то
Измерение координат в УВвГИ элек¬
тромеханического типа осуществляется в
помощью преобразователей угловых или
линейных перемещений, которые связаны
с каретками Кх и Ку, перемещающимися
по координатам X и У в поле документа.
На рис.6.28 показан электроме¬
ханический принцип ввода графической
информации. Документ располагается на
планшете, в плоскости которого переме¬
щается визир (В), закрепленный на
каретке К*. Каждая каретка имеет одну
степень свободы и перемещается по
направляющей. С помощью визира осу¬
ществляется выбор считываемого элемен¬
та изображения. Для определения ко¬
ординат положения визира каретки через
зубчатую пару связаны с АЦП угла поворота вала в цифровой код.
Диск этого АЦП поворачивается на угол, пропорциональный
линейному перемещению каретки.
Акустический принцип ввода использует генерацию звуковых
или ультразвуковых колебаний и измерение времени их распростра¬
нения. В состав УВвГИ акустического (звукового) типа входят
(рис.6.29) съемник информации, содержащий искровой генератор (ИГ)
и служащий для указания элемента изображения, полосковые
микрофоны Мх и Му, расположенные по взаимно перпендикулярным
сторонам планшета с документами. Микрофоны служат для приема
звуковых колебаний, создаваемых искровым генератором съемника.
Измерение координат осуществляется следующим образом. В начале
измерения СчХ и СчУ находятся в нулевом состоянии. При указании
съемником выбранной точки генерируется искровый разряд и звуковая
волна со скоростью И» распространяется в направлении микрофонов.
Время ее перемещения определяется расстоянием до микрофонов.
Таким образом, значение координат определяется X = V3b tx>
У-Узв ty. Следовательно, требуется измерить время tx и ty. В момент
указания замыкается концевой выключатель, устанавливается в
единицу триггера Ту и Тху на счетчиках происходит накопление СИ
до моментов появления сигналов с выходов микрофонов. Формирова¬
тели Фх и Фу сбрасывают в ноль Ту и Тх и фиксируют тем самым
координаты точки изображения на счетчиках.
В акустических УВвГИ ультразвукового типа принцип измерения
координат аналогичный, но реализуется иными средствами. По краям
планшета (вместо микрофонов), выполненного из материала, пере¬
дающего ультразвуковые колебания, располагаются пьезопреобразо¬
ватели, которые генерируют ультразвук. Указатель является в данном
232
Г- F
Рис. 6.29
случае пассивным элементом, поочередно воспринимающим колебания
от пьезопреобразователей, расположенных по горизонтальной или
вертикальной сторонам планшета. Как и в рассмотренном ранее
случае, электронная схема должна обеспечить измерения времени
прохождения сигнала от источника к приемнику и преобразовать его
в код. Ультразвуковой принцип позволяет добиться большей
защищенности от внешних звуковых помех.
Электрические принципы построения УВвГИ подразделяются на
контактные, емкостные и индуктивные. В их основу положено
определение координат элемента изображения по координатной сетке
или по величине потенциала электрического поля в точке измерения.
В контактных электрических УВвГИ в конструкцию планшета входит
система ортогональных координатных шин, разделенных тонким слоем
Диэлектрика, с отверстием в узлах их пересечения. На планшет
помещается носитель с графической информацией. Считывание
°существляется (рис.6.30) путем нажатия карандашом на выбранный
элемент изображения, расположенный в узле матрицы шин. Верхний
лист планшета упруго деформируется и происходит замыкание шины
^ на шину Ху. Шины X последовательно возбуждаются от Дш У.
Сигнал с шины X, преобразуется шифратором (Щ*) в двоичный код.
Одновременно осуществляется считывание кода координаты У со
счетчика СчУ. Разрешающая способность таких планшетов зависит
^ шага координатной сетки.
233
Электрический принцип считывания может быть реализован с
помощью планшета, поверхность которого покрыта полупроводнико¬
вым слоем. На его поверхности создается распределенное электриче¬
ское поле так, что каждой точке планшета соответствует свой
потенциал. Съемник считывает этот потенциал, который в дальней¬
шем преобразуется в коды координат элемента изображения.
Планшеты индуктивных и емкостных УВвГИ также имеют
матричную структуру, при этом считывание графической информации
осуществляется только в узлах матрицы.
Индуктивный принцип заключается в следующем (рис.6.31).
Шины X и У возбуждаются последовательно от генератора высоко¬
частотных колебаний (ГВЧ). Съемник содержит катушку
индуктивности, которая измеряет величину электрического поля в
заданной точке. Измерение координат осуществляется одинаково (на
рис.6.31 показана схема измерения координаты X). При указании
графического элемента замыкается микровыключатель, формируется
сигнал начала измерения (НИ); в блоке управления (БУ) взводится
триггер Т*. На счетчик начинают поступать сигналы СИ и
производится поочередное возбуждение шин X. Сигнал, считанный
указателем и сформированный Фху сбрасывает Т*, фиксируя поло¬
жение СчХ. Измерение координаты Y производится аналогично.
Емкостной принцип отличается тем, что взаимодействие ука¬
зателя с координатной сеткой осуществляется емкостной связью. В
234
Рис. 6.31
остальном логическая схема определения координат точки изобра¬
жения остается такой же.
Разрешающая способность рассмотренных УВвГИ определяется
шагом между шинами и составляет от 0.5 до 1 мм, а количество
шин по каждой координате в различных устройствах колеблется от
нескольких сотен до 2000.
В табл. 6.2 приведены основные характеристики некоторых типов
устройств ввода графической информации.
Таблица6. 2
Модель
Размеры поля,
мм
Точность изме¬
рения ко¬
ординат, мм
Производитель¬
ность
Принцип
действия
ЕС7979
594x841
0,3
время обработки
документа 30
мин.
ПКГИ - 0
850x618
0,1
100 мм/мин
автомат
СМ6 404
850x600
0,1
50 точек/с
индуктивный
СМ6 402
850x600
0,1
100 — 4800 то-
чек/ч
индуктивный
235
6.6. Методы и средства регистрации графической информации
В зависимости от назначения и принципа работы регистрирующее
го устройства графическое изображение информации может быть
выполнено в виде непрерывных линий, когда отдельные расчетные
(опорные) точки, вводимые в графическое регистрирующее устройство
(ГРУ), соединяются между собой линией заданной конфигурации,
или в виде совокупности отдельных точек.
Классификация средств регистрации. Рассмотрим далее
классификацию по принципу взаимодействия-записывающего органа
и носителя, по способу регистрации, по методу формирования контура
изображения.
По принципу взаимодействия записывающего орга¬
на и носителя ГРУ подразделяются на двухкоординатные (планшет¬
ные) и однокоординатные (барабанные). В двухкоординатных
записывающий орган перемещается по координатам X и У по полю
неподвижного носителя, закрепленного на планшете. В одноко¬
ординатных носитель перемещается по одной координате, записыва¬
ющий орган — по другой.
По способу регистрации ГРУ можно разделить на
механические и немеханические. В ГРУ механического типа изобра¬
жение формируется путем механического нанесения красителя на
бумагу. При этом в качестве записывающего инструмента применя¬
ются перья, фломастеры. В ГРУ немеханического типа для
регистрации используются электрографический, электрохимический,
магнитографический, электротермический способы, которые рассмот¬
рены в § 5.5.
Формирование контуров изображения в ГРУ
реализуется следящим и развертывающим методами. При следящем
методе регистрирующий орган совершает перемещение по поверхности
носителя движения, соответствующие контуру изображения. При этом
контур изображения является непрерывным. Используется в двухко¬
ординатных и однокоординатных ГРУ. Развертывающий метод
предполагает разбиение поля носителя на отдельные элементы (как
при растровом методе формирования изображения в ГД)-
Регистрирующий, орган осуществляет сканирование документа по
строкам (или параллельно вдоль строки) и формирует на носителе
изображение в той точке, которая совпадала с принятыми координа¬
тами точки.
ГРУ характеризуется следующими параметрами:
— точностью, которая определяется отклонением координат
графика от их расчетных значений; зависит от минимального шага
перемещения регистрирующего органа (или носителя);
— быстродействием, определяемым скоростью вычерчивания
линии;
236
— размерами рабочего поля носителя;
— количеством применяемых пишущих инструментов, обес¬
печивающих различные цвета линий и их толщину;
— возможностью вычерчивания линий различного типа (сплош¬
ные, пунктирные, штрихпунктирные);
— количеством интерфейсов, с которыми может работать ГРУ.
Обобщенная структурная схема системы вывода графической
информации. Система вывода графической информации включает в
себя оператора, который подготавливает данные для расчета чертежа;
ЭВМ, выполняющую функции создания программы управления ГРП;
ГРП, который реализует команды программы рисования.
В зависимости от режима работы можно выделить три группы
ГРП:
1) автономные, которые работают независимо от ЭВМ; инфор¬
мация на их вход поступает с промежуточных носителей (MJI, МД);
2) с управлением от ЭВМ; в этом случае ГРП являются
периферийными устройствами, подключаемыми к ЭВМ через стан¬
дартную систему ввода-вывода;
3) универсальные ГРП, которые работают как автономно, так
и непосредственно с ЭВМ.
Для построения изображения разрабатываются программы обра¬
ботки исходных данных описания чертежа. ЭВМ формирует прог¬
рамму из набора команд управления, выполняющих следующие
функции: перемещение записывающего узла и носителя, выбор
записывающего инструмента и режима его работы, запись этой
программы на носитель или передача в блок управления ГРП. Далее
каждая программа исполняется путем формирования определенных
воздействий на приводы регистрирующего устройства и носителя.
Примеры построения ГРП. Рассмотрим несколько примеров.
ГРП с механическим способом регистрации изображения рабо¬
тают под управлением команд, в которых элементы изображения
описаны в векторной форме.
В ГРП планшетного типа (рис. 6.32) записывающий узел 3
закреплен в каретке 2 и перемещается в направлении Y; перемещение
в направлении X производится за счет движения каретки 7. Привод
кареток осуществляется системой привода 6 и 5, на входы которого
поступают координаты опорных точек X и У (или их приращения)
из блока управления ГРП (БУ ГРП). После позиционирования
записывающего узла производится дешифрация приказа, записанного
в поле КОП команды. В отличие от векторных ГД в командах
Управления ГРП в КОП указывается код пишущего инструмента
(например, «выбрать фломастер красного цвета») и указание
°пустить, поднять. Указание «опустить» эквивалентно указанию
«Рисовать» в дисплейных командах. Отработка координат положения
237
записывающего узла, осуществляемая бло¬
ками б и 5, реализуется на аналоговых и
цифровых принципах.
В ГРП барабанного типа пишущий
инструмент перемещается вдоль образую¬
щей барабана (по координате Y), а
носитель—по оси X. На рис.6.33 приведена
схема ГРП, в которой механическое пере¬
мещение каретки и носителя выполняется
с помощью шаговых двигателей ШДХ и
ШДУ, которые поворачиваются на угол,
пропорциональный количеству импульсов
на их входе. Поэтому при выполнении
команды позицирования коды приращения
координат посредством интерполяторов
преобразуются в унитарные коды. Все
остальные процедуры рисования выполня¬
ются так же, как и в ГРП планшетного
типа. Конструктивно такие ГРП выполняются в двух вариантах — с
бесконечной бумажной лентой (рулонного типа) и с барабаном, на
котором закрепляется обычный лист бумаги; последние устройства
по разрешающей способности приближаются к ГРП планшетного
типа, но имеют меньшие габаритные размеры.
В ГРП, реализующих развертывающий метод формирования
изображения применяются как механические, так и немеханические
способы регистрации. Последние находят при разработке наиболее
широкое применение, так как позволяют получить существенно более
высокие скорости рисования за счет малого интервала времени на
формирование отпечатка. Рассмотрим только те особенности, которые
связаны с функциональным преобразованием команд программы
рисования.
По выполняемым функциям ГРП развертывающего типа во
многом схожи с растровыми ГД. Исходной информацией для входа
ГРП является программа рисования, записанная в векторной форме.
Для возбуждения записывающего узла каждый вектор должен быть
развернут в последовательность пикселов посредством растрового
графического процессора. Вычисленные пикселы фиксируются в ЗУ,
которое выполняет те же функции, что и видеоЗУ в ГР Д. Контроллер
синхронно с перемещением носителя осуществляет выборку из ЗУ
пикселов строки изображения на входной регистр, с которого через
блок возбуждения производится передача информации на записыва¬
ющий узел. Так как в ГРП отсутствует необходимость в регенерации
изображения, то требования по быстродействию существенно ниже,
чем для ГД.
238
Рис. 6.33
Характеристики ГРП. Скорость ввода при механических спосо¬
бах регистрации составляет 0,2—1,0 м/с. Немеханические способы
позволяют ее увеличить до десятков метров в секунду. Разрешающая
способность современных ГРП развертывающего типа с неме¬
ханическими способами реализации достигает 5-10 линий/мм.
Примеры характеристик графопостроителей приведены в табл.6.3.
Таблица 6. 3
Модель
Тип ГРП и спо¬
соб регистрации
Размер рабо¬
чего поля, мм
Шаг, мм
Скорость,
м/с
Число
символов
ЕС7054
Планшетный,
механический
1000x800
0,05
250
64
ЕС7053
Рулонный, ме¬
ханический
841х1600
(рулон 878 х
2000)
0,01 и 0,05
150 (3 цвета)
255
СМ6403
Рулонный,
электростати¬
ческий
ширина 600,
2400 точек/
стр.
4 точки/мм
12000
строк/мин.
Контрольные вопросы
1. В чем заключается принципиальное отличие векторных и растровых ГД с точки
3Рения структурной организации?
2. Какие математические методы применяются в ГД с произвольным сканирова нием для
Преобразования изображения?
239
3. Составьте программу рисования фигуры с координатами А(3,1), В(1,3), С(4,6),
Д(6,4) для точечного и векторного ГД.
4. Выполните преобразования для поворота фигуры вокруг начала координат на 180.5.
Какие математические методы применяются в растровых ГД для формирования изобра¬
жения? Составьте алгоритмы развертки вектора АВ с координатами А(3,1), В(7,6).
6. Какова должна быть емкость видеоЗУ, если экран цветного монитора имеет 512 строк
и 512 столбцов, а изображение — 3 цвета, каждый из которых представлен в четырех
градациях? Таблица цветов имеется.
7. Какие методы и технические средства ввода графической информации Вы знаете?
Дайте их классификацию и поясните основные принципы работы УВвГИ.
8. Каким образом кодируется графическая информация при вводе?
9. В чем отличие следяещго метода ввода графической информации от развертывающе¬
го?
10.Какие технические средства применяются в ГРП для рисования изображений?
Структуры ГД и их характеристики можно найти в [2,42], подробное изложение
математических основ машинной графики — в [33,42]. Конструкции ГРП и УВывГИ — в
[9,34,40]. Вопросам управления формированием изрображения посвящена работа [30.]
Системы и средствам интерактивного графического взаимодействия рассмотрены в рабо¬
тах— [7,29,44].
7. СИСТЕМЫ ВВОДА-ВЫВОДА РЕЧЕВОЙ
ИНФОРМАЦИИ
Речь является наиболее естественным способом общения между людьми. Человек
обладает развитыми системами формирования и восприятия речи. Системы ввода-вывода
речи освобождают человека от необходимости занимать непрерывно место за пультом, так
как «слуховой канал» не является узконаправленным; высвобождают глаза и руки опера¬
тора для выполнения других работ; позволяют ускорить подготовку оператора для работы
с ЭВМ. В системах управления, использующих ЭВМ, подача команд голосом позволяет
снизить задержки и улучшить качество управления, при этом предоставляется возмож¬
ность работать в темноте и в других условиях, когда невозможно использовать глаза и руки.
Несмотря на очевидные приемущества, системы ввода-вывода речи не получили пока
широкого распространения в качестве универсальных ПУ ЭВМ. Это объясняется сложно¬
стью автоматического распознавания и синтеза слитной речи. Для понимания принципов
автоматического распознавания и синтеза речи необходимо кратко познакомиться с ме¬
ханизмами формирования и восприятия ее человеком, а также с информативными харак¬
теристиками речевого сигнала.
7.1. Механизмы формирования и восприятия речи человеком
Речь человека формируется посредством голосового тракта из
периодического или шумового сигнала и передается в виде звуковых
колебаний воздушной среды. Голосовой тракт, модель которого
приведена на рис.7.1,а, включает в себя множество органов: легкие
1, трахею и бронхи 2, голосовые связки J, гортань 4, язык 5, полости
носа 6 и рта 7 и ряд других. Под воздействием мышечных усилий
легкие создают избыточное давление воздуха, которое приводит к
размыканию ранее сомкнутых голосовых связок и освобождению
прохода ддя воздуха; давление при этом падает и связки вновь
смыкаются. В результате действия такого механизма возникает
периодический сигнал давления, частота которого называется часто¬
той основного тона. Формируемые при этом звуки называются
звонкими; примерами могут служить звуки при произношении букв
«а» или «э». Голосовой тракт может возбуждаться даже при слегка
Раскрытых голосовых связках, когда воздух проходит сквозь них
Непрерывно и вызывает вибрацию связок; формируемые таким
образом звуки называются глухими. Выше голосовых связок распо¬
лагаются полости глотки, рта и носа, которые являются резонаторами
и определяют спектральную форму звука. В упрощенной модели
особого тракта мягкое небо и носовую полость не учитывают,
241
T'-rH-t- ,
h h Ы f
F2 F5 Fif t
Ф
тогда модель можно представить в виде акустической трубы, которая
с одной стороны «накачивается» управляемым генератором давления
(т.е. легкими и голосовыми связками), а другой ее конец,
соответствующий рту, излучает звук.
На акустической частотной характеристике трубы отмечается
ряд резонансов, частоты которых называются формантами голосового
тракта. Расположение формантных частот в спектре и распределение
амплитуд колебаний вблизи них и определяет звук, который человек
интерпретирует как речь. Наибольшее значение форманты имеют
при воспроизведении гласных звуков. Обычно предполагают, что
информативные признаки речи укладываются в полосе частот от 100
Гц до 4 кГц (так полоса пропускания телефонного канала обычно
не превышает 3,5 кГц), хотя органы слуха человека способны
воспринимать и более высокие частоты (до 15 кГц). В этом частотном
диапазоне находятся четыре форманты для голосового тракта
мужчины и три — для голосового тракта женщины. Все формантные
частоты присутствуют в речи одновременно и непрерывно смещаются
в частотном спектре в соответствии с произносимыми звуками.
Смещение формантных частот обеспечивается мышечными усилиями,
которые приводят к изменению параметров голосового тракта; эти
изменения на модели отражаются изменением диаметра акустической
трубы. Изменение формы акустической трубы и соответствующие
амплитудно-частотные характеристики A(f) приведены на рис.7.1,6
для случаев произношения звуков «э» и «а». Разборчивость речи
определяется первыми тремя формантами.
Восприятие речи человеком происходит посредством уха, состо¬
ящего из ушной раковины, среднего и внутреннего уха. Ушная
раковина направляет звуковые волны на барабанную перепонку,
вызывая ее колебания. Колебания барабанной перепонки через
242
духовые косточки и стремечко среднего уха передаются в систему
внутреннего уха, где в полукружных каналах и улитке вызывают
раздражения рецепторных нервных клеток. Далее сигналы от этих
клеток передаются по соответствующим слуховым нервам в мозг.
Таким образом осуществляется преобразование звуковых волн
(давления звука) в биосигналы, распространяющиеся по нервным
волокнам.
Согласно наиболее распространенной в настоящее время теории
слуха, называемой теорией места, выделение различных частот из
звукового сигнала производится за счет возбуждения рецепторных
клеток, находящихся в различных местах полукружных каналов и
улитки. Таким образом, передача информации о звуковом сигнале
в мозг человека осуществляется параллельно-последовательно. Ин¬
формация поступает в мозг отдельно от каждой частотной составля¬
ющей звука: высота тона определяется конкретными волокнами, по
которым передаются импульсы в мозг, а восприятие громкости зависит
от интенсивности импульсов, передаваемых по данному волокну. В
соответствии с этой теорией человеческое ухо способно различать
даже довольно близкие частотные составляющие звукового сигнала,
но практически безразлично к их относительным фазовым сдвигам.
Модель слуховой системы человека можно представить в виде
спектрального анализатора, определяющего амплитуду различных
составляющих звукового сигнала. Такая модель хорошо согласуется
со строением уха и объясняет способность человека различать близкие
частоты и нечувствительность к фазовым сдвигам.
7.2. Структура речевого сигнала
Согласно моделям голосового тракта и слуховой системы
человека речевое сообщение можно рассматривать как непрерывную
последовательность сменяющих друг друга звуков, каждому из
которых соответствует определенная акустическая характеристика.
Смысловое содержание речевого сообщения определяется изменениями
кратковременного спектра. Последовательности звуков образуют
слова, словосочетания, фразы. Часть информации передается времен¬
ными интервалами (паузами), высотой и интенсивностью звука и
Другими просодическими признаками. Речевой сигнал имеет
иерархическую организацию, при которой образы одного уровня
объединяются в более сложные образы следующего уровня по
определенным правилам. Эти правила таковы, что ограничивают
число возможных вариантов объединения, т.е. делают каждый
Последующий уровень избыточным. Избыточность позволяет человеку
безошибочно воспринимать речь в условиях шумов. Процесс распоз¬
навания и обработки речевого сообщения мозгом человека изучен
слабо. Поэтому в основе работы УВВ речевых сообщений лежит не
243
моделирование процесса выделения смыслового содержания, осуще¬
ствляемого мозгом человека, а установление соответствия между
отдельными элементами речевого сигнала и символическими пред¬
ставлениями, используемыми в ЭВМ. Для установления такого
соответствия необходимо создать фонологический алфавит, т.е.
совокупность элементов, каждому из которых можно поставить в
соответствие определенное символическое (кодированное) представ¬
ление в ЭВМ. В качестве элементов фонологического алфавита УВВ
речевой информации используют определенные звуки (фонемы,
аллофоны), слоги, слова и словосочетания.
Фонема — наименьший компонент речевого сигнала, так назы¬
ваемый базовый звук, позволяющий отличать произносимые выска¬
зывания на определенном языке или диалекте. Например, при
произношении слогов «ДАМ» и «ТАМ» в русской речи фонемы <Д>
и <Т> различают по признаку звонкости-глухости, т.е. по наличию
или отсутствию в сигнале явно выраженной периодической состав¬
ляющей, обусловленной колебаниями голосовых связок. Общее число
фонем в различных языках составляет 20 — 60: для русского языка-
44, для английского—40. Набор фонем определяет наименьшее число
распознаваемых элементов языка.
Аллофон — альтернативный вариант произношения фонемы в
зависимости от ее положения в слове или фразе. Каждой фонеме
может соответствовать от одного до нескольких аллофонов. Выделение
аллофонов в речевом сигнале несколько проще, но общее число
аллофонов языка может достигать сотен, что значительно усложняет
обработку, если аллофоны использовать в качестве элементов
фонологического алфавита. Дифтонг характеризует звук, который
формируется при «переключении» голосового тракта в момент
перехода от произнесения одной фонемы к другой; таким образом,
этот звук может находиться только между двумя фонемами. К
сожалению, фонемам, аллофонам и дифтонгам не всеща можно найти
однозначное символьное представление. Это значительно усложняет
процесс выделения смыслового содержания из речевого сообщения.
Отличительной особенностью слов и словосочетаний является
то, что им можно найти однозначное соответствие символьного
представления. Однако недостатком слов как элементов фонологиче¬
ского алфавита является то, что, во-первых, их общее число очень
велико и, во-вторых, затруднено их выделение, так как в слитной
человеческой речи отсутствуют выраженные границы разделения слов.
Для выделения смыслового содержания из речевого сообщения
в ЭВМ звуковые колебания воздушной среды, возникающие при
речевом общении, посредством микрофона преобразуются в аналого¬
вый электрический сигнал, который может передаваться по проводам,
преобразовываться в цифровую форму и подвергаться другим видам
обработки. Таким образом, выделение элементов фонологического
244
<Ш> <?А> с М>
о,1 0,2 t,c
Рис. 7.2
алфавита в сообщении и их распознавание по существу сводится к
выделению определенных признаков в электрическом сигнале.
Произносимые звуки — фонемы — могут быть гласными и согла¬
сными; согласные звуки, в свою очередь,— взрывными звонкими и
глухими (<Т,Д>; <П,Б>; <К,Г>); фрикативными, которые харак¬
теризуются отсутствием специфических формантных частот и также
могут быть звонкими и глухими (<Ф,В>; <Ш,3>); носовыми, при
произнесении которых участвует носовая полость (<Н>, <М>);
промежуточными (как звук <W> в английском слове winter) и
полугласными (<Р>, <JI>).
Гласные и звонкие согласные образуются при вибрации голосовых
связок и имеют выраженные периодические составляющие. Глухие
согласные не имеют выраженных периодических составляющих и
формируются при прохождении воздуха через фильтр, образуемый
языком, губами, зубами и т.д. Все эти особенности отражаются в
форме электрического сигнала u(t) на рис.7.2. Звук <Ш> является
глухим, звуки <А> и <М>—звонкими. Однако конкретная форма
сигнала определяется не только произносимым звуком, но и речевыми
особенностями говорящего, например, тембром голоса, интонацией,
темпом речи и т.д. Все это существенно осложняет лингвистическую
интерпретацию речевого сигнала, т.е. его распознавание. При выводе
речевых сообщений неучет таких факторов делает звучание неесте¬
ственным.
Рассмотрение устройств начнем с У Выв речи, так как процесс
формирования речевых сообщений несколько проще процесса их
распознавания; кроме того, в настоящее время УВыв речи распрост¬
ранены шире, чем УВв.
7.3. Формирование речевых сообщений и устройства вывода речи
Устройства, или системы вывода речи, осуществляют преобра¬
зование символьного представления информации, принятого в ЭВМ,
в звуковой сигнал речевого сообщения (речевого сигнала).
Формирование речевого сигнала осуществляется различными спосо¬
бами и техническими средствами, выбор которых определяется
тРебуемым качеством синтезируемой речи, объемом словаря и
245
допустимыми аппаратными затратами. Многообразие существующих
способов формирования речевого сигнала можно разбить на две
группы:
1) формирование по образцам (компилятивный синтез);
2) синтез по правилам.
Процесс преобразования символьного представления информации
в сигнал речевого сообщения состоит из двух основных этапов
конструирования речевого сообщения и собственно синтеза речевого
сигнала. Конструирование речевого сообщения
заключается в выработке некоторой последовательности команд
управления аппаратными средствами собственно синтезатора, в
соответствии с которой на выходе синтезатора формируется речевой
сигнал. Конструирование речевого сообщения может выполняться
программным путем с использованием аппаратуры ЦП- или МП-
средств, встроенных в УВыв речи. Синтез речевого с и г н а-
л а выполняется аппаратурой ПУ. Действия, выполняемые на каждом
из шагов, определяются принятым в данном ПУ способом
формирования речевого сигнала.
Формирование речевого сообщения по образцам. Процесс
формирования речевого сообщения по образцам по существу пред¬
ставляет собой восстановление аналогового сигнала, заранее за¬
кодированного и введенного в память системы. Систему вывода речи,
реализующую формирование речевого сообщения по образцам, можно
представить в виде запоминающего устройства аналоговых сигналов
(например, «быстрого магнитофона»), в которое заранее занесены
возможные выходные речевые сообщения ЭВМ. Совокупность всех
возможных речевых сообщений образует словарь устройства. При
необходимости вывести некоторое сообщение на этапе конст¬
руирования вырабатываются соответствующие ему поисковые
признаки. На этапе синтеза УВыв по этим признакам находит нужное
сообщение в своей памяти и выводит его через канал воспроизведения
звука. Несмотря на кажущуюся простоту такого способа, его
непосредственная реализация в УВыв речи невозможна из-за слишком
медленного процесса поиска нужного сообщения в памяти аналоговых
сигналов, причем это время возрастает с ростом числа сообщений,
хранимых в памяти.
Устройства и системы речевого вывода, реализующие
формирование речевого сообщения по образцам, хранят речевые
сообщения в памяти в цифровом виде. Для этого в процессе
формирования словаря, т.е. записи оператором в память устройства
возможных выходных сообщений, аналоговый сигнал от микрофона
преобразуется в последовательность цифровых отсчетов, которая затем
подвергается операции сжатия. Полученная в результате операции
сжатия последовательность числовых значений называется описанием
речевого сигнала и заносится в память устройства. В процессе вывода
246
да этапе конструирования речи производится поиск нужного сжатого
описания в памяти устройства, а на этапе синтеза — восстановление
первоначального несжатого описания, цифроаналоговое преобразо¬
вание и воспроизведение речевого сигнала.
Существует большое разнообразие систем и устройств
формирования речи по образцам, которые различаются способами
описания речевого сигнала. Эти способы определяют возможный
словарь, качество звучания восстановленной речи и сложность
аппаратурной реализации. Все способы формирования речи по
образцам обеспечивают сравнительно хорошее качество речи, но при
ограниченном словаре и ограниченной длительности. Некоторые
системы допускают изменение словаря в процессе эксплуатации.
Описание речевого сигнала. Рассмотрим некоторые
наиболее распространенные способы цифрового описания речевых
сигналов: импульсно-кодовую модуляцию (ИКМ), кодирование с
линейным предсказанием (ЛПК), частотную корреляцию (ПАРКОР)
и параметрическое кодирование. Вначале определим параметры
аналого-цифрового преобразования речевого сигнала, осуществляемого
в процессе составления его описания. Эти параметры — частоту
дискретизации F = 1/Г, где Т—период дискретизации, и число
разрядов п двоичного представления каждого отсчета, определим для
речевого сигнала, качество которого соответствует возможностям
телефонного канала. Телефонный канал характеризуется полосой
пропускания, нижняя граница которой составляет Г„=300 Гц, а
верхняя—iv= 3500 Гц, и разрешающей способностью по амплитуде
R=(3-5)%, определяемой уровнем шумов. Поскольку для восста¬
навливаемого речевого сигнала по существу определена верхняя
частотная составляющая Fe= 3500 Гц, воспользуемся соотношением
(4.2), согласно которому
F ^ 2 Fe , т.е. F > 7 кГц.
Однако для компенсации погрешностей, вызванных отличием
реализуемых законов восстановления аналогового сигнала от
теоретически необходимого, значение частоты дискретизации уста¬
навливают обычно F = 10 кГц. Для оценки числа разрядов п
Двоичного представления отсчета X воспользуемся соотношением
(4.6). Пусть речевой сигнал описывается уравнением
X = A sin 2jtFty
гДе А- амплитуда, тогда
1 Хтгх Xmin с г
п = log2 ^ , П = 5—6
Отметим, что если восстановление аналогового сигнала, соответству¬
ющего речевому сообщению, выполнять полиномом первого порядка,
247
ис
Нул iu и
Гр в соответствии с соотношеш
tju при М2 = У majr 4 n2AFe и
6УП
X
ЬУСч
~Я
ПОп
то частота дискретизации определяется
с соотношением (4.3) и
допустимом
отклонении восстановленного сигнала от
исходного не более 5% по амплитуде
составляет около 30 кГц.
Импульсно-кодовая модуляция
(ИКМ) предполагает прямое кодирование
каждого отсчета. Таким образом, рече¬
вому сигналу длительностью в 1с будет
Рис. 7.3 поставлено в соответствие цифровое
описание, содержащее 10 ООО отсчетов X, (при F = 10 кГц), каждый
из которых представлен (5-6) разрядным двоичным числом. Для
хранения такого описания потребуется область памяти в (50-60)
Кбит. Поскольку формирование речи по образцам предполагает, что
в памяти системы хранятся описания всех сообщений, то суммарная
длительность Тсл всех сообщений словаря и размер области памяти
словаря VCA связан линейной зависимостью
усл= К TCJ
(7.1)
где К — коэффициент пропорциональности, характеризующий способ
описания речевого сигнала. Для ИКМ К = 60 Кбит/с.
Структура УВыв речи, в котором использована ИКМ, приведена
на рис.7.3. Цифровые описания каждого сообщения словаря хранятся
в виде непрерывных массивов {2ft} в памяти описаний (ПОп). В блок
управления поиском (БУП) от центральной части ЭВМ (или от
программы пользователя) передается идентификатор выводимого
сообщения (ИС). В качестве идентификатора в зависимости от способа
реализации памяти описаний используются имя сообщения, базовый
адрес, значение ключа и т.п. Блок управления считыванием (БУСч)
после завершения поиска нужного описания осуществляет последо¬
вательное считывание хранимых цифровых отсчетов X, с постоянной
частотой, равной F, передает их на ЦАП. Выходное напряжение
ЦАП через фильтр Ф подается на громкоговоритель Гр, где и
формируется звуковой сигнал. Выдача цифровой последовательности
на ЦАП прекращается при обнаружении в БУСч признака конца
сообщения. Поскольку для хранения описания сообщений можно
использовать ОЗУ ш1и ПЗУ центральной части ЭВМ, то управление
поиском может быть реализовано программно. В этом случае
аппаратура УВыв речи представляет собой совокупность контроллера
прямого доступа в память (КПДП), ЦАП, Ф и Гр. Достоинством
такой схемы является предельная простота этого устройства, однако
словарь речевых сообщений очень ограничен. Так, при наличии
области памяти описаний в 128 Кбайт суммарная длительность всех
сообщений словаря составляет около 20 с.
248
Некоторой экономии памяти или увеличения объема словаря
можно добиться, использовав дельта-модуляцию (ДМ). В этом случае
вместо абсолютных значений отсчетов Xi описание речевого сообщения
составляется в виде последовательности приращений АХ, . При
восстановлении речевого сигнала на ЦАП передаются значения X, ,
которые предварительно вычисляются по формуле
X,- = Xi-i + A Xi .
Для хранения кода приращения А X, требуется (3-4) двоичных
разряда , т.е. меньше, чем для хранения абсолютных значений X,.
Этим объясняется, что для ДМ коэффициент пропорциональности в
выражении (7.1) составляет К = (30-40) Кбит/с. Предварительное
вычисление X, не вызывает трудностей , а во многих случаях и не
требует дополнительных затрат. ДМ не приводит к существенному
сокращению необходимых объемов памяти по сравнению с ЧКМ, так
как речевой сигнал характеризуется наличием участков с быстрым
изменением амплитуды.
Более экономичным способом описания является кодирование с
линейным предсказанием (ЛПК); для этого способа в выражении
(7.1) коэффициент пропорциональности составляет К = (2-5) Кбит/с.
Способ ЛПК основан на том, что характер речевого сигнала
сравнительно мало изменяется при произнесении какого-либо одного
звука, а изменение характера этого сигнала происходит значительно
реже (по отношению к частоте дискретизации) при переходе от звука
к звуку (см. рис.7.2).
Рассмотрим способ ЛПК подробнее. Для этого будем считать,
что исходное описание речевого сообщения-образца составлено с
использованием ИКМ, т.е. представляет собой совокупность значений
{X,}, i= 0,1,2,... Вычислим «предсказываемые» значения {X, } в виде
линейной суммы
X,- = ai Xi-i + <22 X,—2 +...+<2л Х,-р , (7.2)
где а (к = 1,...,р)—коэффициенты предсказания, зависящие от
характера речевого сигнала на рассматриваемом интервале^ а также
отклонения е, истинного значения X, от предсказанного X; , т.е.
а = X,— Xi . (7.3)
В этом случае исходное описание речевого сообщения-образца
Можно восстановить, если известны коэффициенты предсказания {а}
и величина отклонений {£,}. Поскольку для каждого интервала
Речевого сигнала параметры а выбираются так, чтобы отклонения е,
бь*ли минимальными, то в большинстве случаев предсказанные и
Истинные значения совпадают. Это позволяет в сжатом описании
Указывать значения не всех отклонений е*, а только тех, которые
°тличны от нуля. Сокращенное описание, использующее ЛПК, для
249
речевого сообщения-образца образуется совокупностью ко¬
эффициентов {ак} и пар {ei,i} для е = 0. При составлении сокращен¬
ного описания коэффициенты {ак} обычно вычисляются для
последовательности из 200 цифровых отсчетов запоминаемого рече¬
вого сообщения. При F=10 кГц это соответствует интервалу 20 мс,
т.е. через каждые 20 мс при выводе речевого сообщения из памяти
описаний должны быть выбраны новые значения коэффициентов {ак}.
Обычно предсказание выполняется по 10 отсчетам , т.е. количество
коэффициентов р=10; запись каждого параметра выполняется (7-8)
разрядным двоичным числом.
При выводе речевого сообщения вначале восстановится его
исходное описание в виде последовательности отсчетов Хь которые
затем подаются на ЦАП. Восстановление отсчетов X* производится
в реальном масштабе времени, т.е. в течение интервала Т=100 мкс,
в соответствии с формулами (7.2) и (7.3). Эти вычисления требуют
не менее 10 операций умножения и 10 операций сложения для
восстановления каждого значения X*. Таким образом, система прямого
восстановления исходного описания речевого сигнала должна обладать
высоким быстродействием, что вызывает трудности при ее реализации
с помощью МП-средств. Отметим, что, несмотря на отмеченные
трудности, первые МП-системы прямого восстановления речевого
сигнала по его ЛПК описанию уже созданы. Для вычисления
коэффициентов {ак} необходимо минимизировать среднеквадрати¬
ческое отклонение исходного сигнала от предсказанного , т.е.
минимизировать величину
Я = 2 е* = 2 [X, - f OkXi^f .
k= 1
Для этого вычисляются производные dE/da* , которые полагают
равными нулю, а затем решают полученную систему уравнений
относительно at. В настоящее время разработано несколько методов
решения этой системы уравнений, в соответствии с которыми
различают несколько вариантов описания речевого сигнала.
Рассмотренные способы восстановления речевого сигнала, при
которых производится вычисление каждого цифрового значения
отсчета исходного описания с последующим преобразованием после¬
довательности восстановленных отсчетов в аналоговый сигнал,
называют способами прямого восстановления , а используемые при
этом способы — способами кодирования во временной области.
Сокращенное описание речевого сигнала можно использовать не
только для прямого восстановления речи, но и для управления ее
синтезом. Применяемые при этом способы кодирования называют
способами кодирования в частотной области. Рассмотренный выше
способ ЛПК наиболее часто служит для восстановления (синтеза)
речи в частотной области. Синтез речевого сигнала осуществляется
250
с помощью электронной модели голосового тракта человека, а
коэффициенты — параметры сокращенного описания речевого сигнала
используются для управления «настройкой» этой модели. Элект¬
ронная модель голосового тракта (или синтезатор) аналогична
синтезатору, используемому при синтезе речи по правилам. Однако
при конструировании речевого сообщения для его восстановления по
описанию в частотной области используются параметры, полученные
в результате обработки реального речевого сигнала, полученного при
произнесении сообщения человеком. Исходный речевой сигнал
разбивается на интервалы постоянной длительности (20мкс), как
описано выше, для которых и производится определение ко¬
эффициентов-параметров настройки модели. Эти параметры в
течение всего интервала остаются постоянными, т.е. перестройка
синтезатора осуществляется 50 раз в секунду. Синтезированный
сигнал отличается от исходного по форме, однако человек легко
воспринимает исходное речевое сообщение, так как слуховой аппарат
его не восприимчив к фазовым искажениям сигнала. Методы
кодирования речевых сигналов в частотной области не сохраняют
информации о фазе и за счет этого обеспечивают более высокую
степень сжатия исходного описания: значение коэффициента
пропорциональности в выражении (7.1) для них составляет К =
=(1,2—2,4) Кбит/с.
Одна из возможных структур синтезаторов показана на рис.7.4.
В состав синтезатора входят: генератор высоты основного тона
(ГВОТ), генератор псевдослучайного шума (ГШ), переключатель (П),
многозвенный управляемый цифровой фильтр (ЦФ), ЦАП, усилитель
(У) и громкоговоритель (Гр).
Идентификатор сообщения (ИС) из центральной части ЭВМ
передается в узел управления выборкой и синхронизации (УВиС);
этот узел осуществляет поиск описания выводимого сообщения в
памяти описаний (ПОп). Описание сообщения представляет собой
последовательность кадров, соответствующих интервалам 20 мс, в
течение которых коэффициенты предсказания {ак} остаются посто¬
янными. Каждый кадр содержит коэффициенты предсказания {ак},
параметр громкости, параметр частоты основного тона и ряд других;
кадры последовательно через интервалы 20 мс выводятся на регистр
кадра (РгКдр). ГВОТ служит для формирования звонких звуков,
ГЩ— для формирования глухих. Коэффициенты предсказания служат
Для управления многозвенным цифровым фильтром (ЦФ), который
Моделирует собственно голосовой тракт; параметры этого тракта
баются неизменными в течение всего кадра. Громкость звука
Устанавливается в зависимости от значения параметра громкости.
Перечисленные узлы являются типичными для устройств прямого
синтеза, однако следует отметить, что в данном случае синтезатор
251
управляется посредством коэффициентов, предварительно вычислен¬
ных по реальным образцам речевых сообщений.
Образец речевого сообщения обрабатывается посредством
специальной инструментальной системы подготовки описаний, в
состав которой помимо средств для получения исходного цифрового
описания образца речевого сообщения (микрофона, АЦП, устройства
сопряжения с ЭВМ) входит достаточно мощная ЭВМ с развитыми
средствами интерактивного взаимодействия с оператором. В процессе
подготовки образцов речевых сообщений, синтезируемых ЭВМ при
выводе, оператор посредством клавиатуры вводит имена (идентифика¬
торы) сообщений, а затем посредством микрофона и сами образцы.
Для каждого идентификатора при вводе образца речевого сообщения
формируется исходное описание, т.е. последовательность цифровых
отсчетов {X,}. Затем совокупность {X} подвергается процедуре
сжатия, т.е. программной обработке, в результате которой
формируется совокупность параметров управления синтезатором {at}
для всех последовательных кадров. Этой совокупности параметров
приписывается то же имя сообщения-образца. Исходное описание
после выполнения процедуры сжатия может быть утеряно; сжатое
описание речевого сигнала переносится в память основной ЭВМ для
конструирования речевого сообщения в процессе его вывода.
При формировании речи по образцам число возможных речевых
сообщений ограничено теми сообщениями, описания которых состав¬
лены заранее и хранятся непосредственно в памяти описаний или
составляются в процессе вывода путем слияния нескольких описаний
элементарных сообщений, также хранящихся в памяти. Составление
описаний более сложных сообщений выполняется программными
средствами ЦП. Так, например, соответствующее фразе «Температура
воздуха в Москве в XX часов была YY градусов» речевое сообщение
252
м0ясет быть составлено из пяти элементарных сообщений, поиск и
выбор которых из памяти описаний выполняется программно, причем
выбор элементарных сообщений XX и YY зависит от информации,
поступающей в ВС от других ПУ (часов текущего времени и АЦП,
связанного с датчиком температуры). Формирование более сложных
сообщений требует наличия базы синтаксических правил, сложных
программ, а также элементов, присущих способам синтеза по
правилам (например, для изменения звучания окончания слова при
ею склонении).
Синтез речевых сообщений по правилам. Основу действия
систем вывода, осуществляющих синтез речи по правилам, составляет
формантный способ синтеза речи. Многочисленные разновидности
реализации этого способа основываются на расчленении речевого
сигнала на отдельные фонетические составляющие — фонемы, алло¬
фоны, дифтонги. При синтезе речи по правилам, аналогично
ЛПК-синтезу, используется электронная модель голосового тракта
человека, т.е. синтезатор. Настройка синтезатора при синтезе по
правилам выполняется для каждого отдельного элемента фонетичес¬
кого алфавита (а не для постоянного интервала времени, как в
случае ЛПК-синтеза). Таким образом, чтобы вывести речевое
сообщение, необходимо вначале иметь фонетическое описание
произносимого слова или фразы. Фонетическое описание представляет
собой последовательность элементов фонетического алфавита, вклю¬
чая паузы, с указанием длительности звучания каждого из них.
Каждому элементу фонетического алфавита ставится в соответствие
набор параметров настройки синтезатора. Эти параметры могут быть
неизменными в течение всей продолжительности звучания фонемы
или аллофона, но могут и меняться, как, например, для дифтонгов;
в последнем случае элементу фонетического алфавита ставится в
соответствие последовательность нескольких наборов параметров.
Наборы параметров настройки синтезатора для каждого из элементов
фонетического алфавита в виде управляющих слов (УС) хранятся в
памяти. В качестве памяти обычно используют ПЗУ. Код элемента
фонетического алфавита используется в качестве адреса и позволяет
найти и выбрать нужное УС или их последовательность. Каждое УС
содержит, помимо набора параметров настройки синтезатора {PJ,
параметр длительности звучания фонологического элемента, флаг
Цепи УС и ряд других флагов.
Значения параметров каждого набора подбираются при настройке
системы речевого вывода. Наиболее распространенными параметрами,
Используемыми при формантном синтезе, являются амплитуда
сигнала основного тона Ао, частота основного тона Fo, значения
тРех формантных частот (FI, F2, F3), амплитуда шума Лш и частота
^ генератора шума, моделирующего свистящие и шипящие звуки,
а также параметр «придыхания» Ап. На рис.7.5,а показана система,
253
и
Л J
гш
т
ГВОТ
У1
т
Р2
У2
т
(РЗ
использующая эти пара¬
метры для настройки
синтезатора, а на
рис.7.5,б приведен
пример изменения пара¬
метров в процессе синте¬
за речевого сигнала
«siks», соответствующего
произношению английс¬
кого слова «six».
Схема содержит два
тракта. Первый тракт
состоит из управляемого
генератора высоты основ¬
ного тока (ГВОТ),
усилителя (У 1) и двух
фильтров (Ф1 и Ф2),
причем Ф2 является уп¬
равляемым. Эти компо¬
ненты участвуют в
формировании гласных
звуков. Формирование
большинства согласных
звуков производится с
помощью тех же
фильтров Ф1 и Ф2 при
подаче на них сигнала,
сформированного управ¬
ляемым аттенюатором (X) из сигнала генератора шума (ГШ). Второй
тракт состоит из ГШ, управляемого усилителя У2 и управляемого
резонансного фильтра ФЗ и служит для формирования шипящих
звуков. Сигналы от этих трактов подаются на смеситель (+) и затем
на устройство воспроизведения звука (громкоговоритель). Эта схема
довольно точно моделирует работу голосового тракта человека.
Конструирование речевого сообщения при синтезе по правилам
включает в себя два этапа:
1) символьное представление «орфографического текста», приня¬
тое в ЭВМ, преобразуется в фонетическое описание;
2) последовательность элементов фонетического алфавита пре¬
образуется в последовательность УС для непосредственного управ¬
ления синтезатором.
Эти преобразования иллюстрируются рис.7.6. Последовательность
слов и словосочетваний текста (ТЕКСТ) в виде символьного
представления передается программе (П1) преобразования орфо¬
графического текста в фонетическое описание. Программа преобра-
254
Рис. 7 6
зования П1 реализуется средствами ЦП или специализированными
средствами цифровой обработки, встроенными в У Выв речи. Основой
для выполняемого преобразования служит набор правил, хранимых
в библиотеке БИБЛ1. Эти правила определяются фонетическими
особенностями языка; они достаточно сложны и неоднозначны и
содержат большое число исключений. Поэтому иногда первый этап
конструирования речи выполняется не в процессе вывода речевого
сообщения, а в процессе создания системы речевого вывода
человеком-оператором. Во втором случае оператор, используя инстру¬
ментальную систему, заранее создает словарь, т.е. фонетические
описания всех доступных для будущей системы речевого вывода слов
и словосочетаний. Эти описания в виде последовательностей кодов
фонетического алфавита хранятся в памяти системы, словарь которой
становится ограниченным, но память используется более экономично,
чем при формировании речи по образцам. Коэффициент
пропорциональности К в выражении (7.1) для случая синтеза по
правилам может достигать К = 300 бит/с при вполне различимой
речи.
Пользуясь библиотекой правил БИБЛ1 или словарем, программа
П1 передает фонетическое описание ФО программе П2 формирования
последовательности УС. Программа П2 чаще всего реализуется
МП-средствами системы речевого вывода. Эта программа последова¬
тельно получает коды элементов фонетического описания, по ним
формирует адрес А, находит УС в библиотеке описаний фонетических
элементов БИБЛ2, соответствующие каждому элементу, и направляет
их в синтезатор. Каждое следущее УС передается в синтезатор по
его запросу (Зп) по окончании интервала звучания, определяемому
параметром длительности звучания в предыдущем УС. Новое УС
выбирается по адресу следующего фонетического элемента, если
воспроизведение предыдущего завершено, или по следующему по
Порядку адресу, если в предыдущем УС установлен флаг цепи УС,
Т’0. если воспроизведение фонетического элемента не завершено.
Речь, формируемая таким способом, отличается сравнительно
Невысоким качеством, но вполне различима; такая речь звучит
255
неестественно, так как в ней отсутствуют присущие человеческой
речи ритм, интонации, изменения громкости и т.п. Существенным
достоинством такой системы речевого вывода является достаточно
большой объем словаря. Для улучшения качества речи часто
встречающимся коротким словам и сочетаниям ставят в соответствие
отдельные описания, выполняемые, например, способом ЛПК.
Большинство современных промышленных устройств вывода
речи выпускаются в виде отдельных плат для установки в ПЭВМ.
Так, серийно изготавливаются платы речевого вывода для ПЭВМ
IBM.PC и АРРЬЕ.П. Принцип действия этих устройств основан на
методе дельта-модуляции (например, синтезатор речи фирмы
«Диджитокер», построенный на базе ИС речевого процесора ММ
54104) или ЛПК-синтезе (например, синтезатор TMS 5200 фирмы
«Тексас инструменте»). На плате устройства речевого вывода
располагаются ИС речевого процессора, словарного ПЗУ, сопряжения
с интерфейсом ввода-вывода ПЭВМ, а также звуковой усилитель,
фильтр и ряд вспомогательных схем. Словарь таких устройств
ограничивается 30-300 словами, общая длительность звучания
которых зависит от использованного способа кодирования и объема
ПЗУ и составляет 40 — 200с.
7.4. Система ввода речевых сообщений
В основе действия любых систем ввода речевых сообщений лежит
принцип распознавания образов. Система выделяет из поступающего
речевого сигнала набор некоторых признаков, составляющих его
«описание», затем сравнивает полученное описание с эталонными
описаниями, хранящимися в памяти системы ввода, т.е. вычисляет
меры сходства. Если значение меры сходства превышает некоторый
установленный уровень, то система «распознает» сигнал, присваивая
ему значение соответствующего эталона. Различия систем речевого
ввода определяются тем, какие элементы речевого сообщения
выделяются и распознаются, какие признаки образуют описание
речевого сигнала, какие алгоритмы используются для определения
меры сходства и какими аппаратно-программными средствами они
реализуются. Помимо распознавания элементарных составляющих
речевых сигналов, система должна интерпретировать речевые сооб¬
щения, т.е. находить соответствующие им орфографические текстовые
последовательности, интерпретировать и выполнять команды, за¬
поминать и заносить в память данные и т.п.
Базовым фонологическим элементом для подавляющего
большинства систем распознавания и интерпретирования речевых
сообщений является слово (или словосочетание); произнесенным
словам может быть однозначно поставлено в соответствие их
орфографическое представление.
256
Определение границ слов в естественной человеческой речи
встречает большие трудности, и эта задача сегодня не может
считаться решенной. Обычно разграничение слов выполняется на
основе анализа длительности пауз, скорости изменения сигнала перед
й после паузы и ряда других признаков, выделяемых из звукового
сигнала. Однако ни один из перечисленных признаков, ни их
совокупности не позволяют надежно устанавливать границы слов.
Кроме того, все перечисленные признаки зависят от особенностей
говорящего. В связи с этим все системы ввода речи принято делить
по следующим критериям:
— способности распознавать слитную речь или отдельно
произносимые слова;
— объему словаря распознаваемых слов (словари существующих
систем содержат до 500 слов);
— ориентированности на одного говорящего или на произвольное
число говорящих.
Наиболее желательна система, способная воспринимать слитную
речь при неограниченном словаре и независящая от говорящего. В
настоящее время такие системы практически отсутствуют, так как
не решена задача определения границ слов, а идентификация речевых
сообщений в реальном масштабе времени требует сложной и
дорогостоящей аппаратуры. Для интерпретирования речевых сооб¬
щений с неограниченным словарем должны быть созданы сложные
экспертные системы, содержащие различные базы знаний (словари,
наборы эталонных описаний речевых сигналов, наборы
лингвистических правил и т.д.) и обеспечивающие интерпретирование
в темпе говорящего.
Большинство современных систем и устройств ввода речи
предназначены для персональных и управляющих микроЭВМ, следо¬
вательно, одним из основных требований, предъявляемых к таким
системам ввода, является их низкая стоимость. Низкая стоимость
достигается за счет ограничения словаря отдельно произносимых слов
и упрощения алгоритмов обработки при ориентации системы на
одного говорящего.
Обобщенная структурная схема такой системы речевого ввода
показана на рис.7.7. Акустический речевой сигнал воспринимается
микрофоном (М) и в виде аналогового электрического сигнала
передается на высокочастотный фильтр (ФВЧ) и АЦП. Цифровые
отсчеты с выхода АЦП направляются на препроцессор (ПП). Задача
ПП состоит в том, чтобы уменьшить объем (а следовательно, и
скорость) передаваемых данных при сохранении существенной для
Распознавания речевых сигналов информации. В зависимости от
принятого набора признаков, составляющих описание сигнала, ПП
Может представлять собой спектроанализатор, детектор формантных
частот, анализатор ЛПК и т.п. Полученное в результате пред-
9- 836 257
Рис. 7.7
варительной обработки сокращенное описание речевого сигнала
передается в процессор выделения признаков (ПВП) и затем в систему
принятия решений, включающую в себя блок классификатора (БК),
память эталонных описаний (ПЭО) и блок настройки (БН). Система
принятия решений работает в двух режимах — ввода и обучения.
В режиме ввода описание входного речевого сигнала
подается в блок классификатора, который вычисляет меры сходства
этого описания с эталонными, хранящимися в ПЗУ. В результате
вычисления мер сходства для всей совокупности эталонов может быть
найдена максимальная мера и принято решение о соответствии
входного сигнала одному из эталонов. Входному речевому сигналу
приписывается имя-идентификитор этого эталона. Затем найденный
идентификатор передается прикладной программе или в центральную
ЭВМ через блок сопряжения УС.
Описание распознаваемого слова всегда отличается от эталонного.
Это вызвано изменениями амплитуды акустического сигнала, темпа
произнесения слова говорящим, различием тембров и другими
особенностями дикторов. Увеличить меру сходства, а следовательно
и вероятность правильного распознавания слов можно за счет
предварительного «обучения» системы ввода речи.
В режиме обучения описания входных речевых сигналов
подаются в блок настройки. В этот же блок обычно с помощью
клавиатуры (Кл) заносится имя-идентификатор речевого сигнала. БН
находит «усредненное» описание для несколько раз повторенных слов
или словосочетаний одним говорящим, затем приписывает это
усредненное описание идентификатору, т.е. формирует эталон.
Такое «обучение» позволяет сформировать систему эталонных
описаний для каждого диктора, т.е. в значительной мере учесть
особенности произнесения ими слов. Более сложно учесть изменения
темпа произнесения слова одним говорящим. Во многих случаях
258
изменение темпа пытаются компенсировать нормализацией сигнала
по времени, однако удовлетворительный результат достигается только
для сравнительно коротких слов. Лучшие результаты достигаются за
счет использования алгоритмов динамического программирования при
сравнении распознаваемого и эталонных описаний. При этом в
процессе сравнения эталонное описание подвергают допустимым
«деформациям», число которых ограничено. Процесс распознавания
произносимых слов во многом аналогичен рассмотренному выше
распознаванию печатных символов в читающих устройствах (гл. 5).
В последнее время ведутся работы по изучению распознавания
клиппированных речевых сообщений [39,35], т.е. сигналов с посто¬
янной амплитудой. УВв речи, основанные на распознавании
клиппированных сигналов, проще других, а качество клиппированной
речи достаточно хорошее.
Все системы ввода речевых сигналов, как и системы распозна¬
вания образов вообще, принято характеризовать вероятностью
правильного распознавания, вероятностью (частотой) отказов от
распознавания, вероятностью (частотой) ошибок при распознавании.
Численные значения этих характеристик зависят от объема словаря
и используемых алгоритмов распознавания. Для словарей объемом
200-300 слов и словосочетаний вероятность правильного распозна¬
вания составляет 95-98%. Так, устройство речевого ввода ИКАР,
предназначенное для работы в информационно-справочных системах
и САПР на базе ЕС ЭВМ, имеет объем словаря 200 слов, вероятность
правильного распознавания 95% и время распознавания каждого
слова менее 0,5 с. Устройство позволяет проводить цикл «обучения»
и обеспечивает работу до 256 операторов.
В системах речевого ввода для повышения достоверности обычно
предусматривают визуальную обратную связь. На рис.7.7 эта связь
показана в виде индикатора И, на экран которого выдается
символьное представление произнесенного слова; непосредственный
ввод этого символьного представления в ЭВМ осуществляется только
после подтверждения правильности распознавания, осуществляемого
нажатием клавиши. При неправильном распознавании может быть
подана устная команда отмены и ввод слова повторяется. Несмотря
на то, что такая визуальная обратная связь лишает систему речевого
ввода многих преимуществ, высокая достоверность ввода оправдывает
ее применение во многих областях, в частности при подготовке
Данных. Рассматриваемая система обеспечивает более высокую
скорость ввода по сравнению со скоростью ввода с клавиатуры.
Контрольные вопросы
1.Как можно представить упрощенную модель голосового тракта человека и какие
Основные признаки характеризуют гласные и согласные звуки?
2.Какие элементы могут образовывать фонологический алфавит?
259
З.В чем принципиальное различие способов формирования речевого сообщения по
образцам и синтеза по правилам?
4.Чем отличаются способы сокращенного описания речевых сигналов во временной и
частотной областях? Приведите структурные схемы У Выв речи, реализующие эти способы.
5.Каким образом достигается сжатие информации при ЛПК ?
6.По каким критериям можно классифицировать УВв речи?
7.Приведите структурную схему УВв речи с ограниченным словарем и настройкой на
диктора. Что дает режим «обучения» системы?
Организация речевого общения с ЭВМ достаточно просто изложена в [13,45]; более
подробное описание можно найти в [42]. Методы синтеза рассмотрены в [38]; в этой же
работе, а также в работе [39] приведены примеры схем современных синтезаторов. Теория
речи, методы и системы распознавания речи подробно изложены в [41,43]; примеры систем
распознавания речи можно найти в [40,44]. В пособии [7] рассмотрен пример алгоритма
распознавания, основанного на методе динамического программирования.
8. СИСТЕМА ВНЕШНЕЙ ПАМЯТИ
Для эффективной обработки данных необходимо обеспечить при минимальных за¬
тратах хранение больших объемов информации и быстрый доступ к ней. Эти требования
противоречивы и при современном уровне технологии компромисс между емкостью,
быстродействием памяти и затратами на нее достигается за счет создания иерархической
структуры, включающей в себя сверхоперативный, основной, внешний и архивный
уровни. Информация для ЦП непосредственно доступна только из ЗУ сверхоперативного
и основного уровней. Каждый последующий уровень в рамках одной ЭВМ характеризу¬
ется большей емкостью и меньшим быстродействием ЗУ. Внешний и архивный уровни
образуют систему внешней памяти; в ее состав входят разнородные ВЗУ (их часто назы¬
вают накопителями), контроллеры ВЗУ, а также носители информации и хранилища для
них.
Классификация и основные характеристики ВЗУ. ВЗУ, или накопители, являются
основными компонентами системы внешней памяти. Информация в них располагается в
виде блоков, которые становятся доступными для обработки в ЦП в результате выпол¬
нения операции ввода, т.е. загрузки их из внешней памяти в оперативную. Передача
блоков из оперативной во внешнюю память осуществляется операцией вывода. В качестве
ВЗУ используются устройства, различающиеся типом носителя, способом регистрации и
характером использования информации, способом доступа и т.д.
По типу носителя различают ВЗУ с подвижным и неподвижным носителем.
При современной технологии наиболее часто реализуют размещение информации на
поверхности некоторого тела, называемого носителем. Если поиск, запись и считывание
информации сопровождается механическим перемещением носителя, то такие ВЗУ назы¬
вают накопителями с подвижным носителем, среди которых наиболее распространены
накопители на магнитных дисках (НМД), оптических дисках (НОД), магнитных лентах
(НМЛ). Такой носитель может быть гибким и жестким. Если при поиске, записи и считы¬
вании механического перемещения носителя не происходит, то ВЗУ называют накопите¬
лем с неподвижным носителем; примером может служить накопитель на основе
Цилиндрических магнитных доментов (ЦМД). Реже в ВЗУ используют объемную
запись — полупроводниковые ЗУ, приборы с зарядовой связью.
По способу регистрации различают ВЗУ с магнитной и оптической
(магнитооптической) записью; по характеру использования информа¬
ции — постоянные ВЗУ, которые допускают только чтение информации, ВЗУ с однок¬
ратной записью (пользователь имеет возможность произвести запись информации на
поверхность носителя один раз, после чего допускается только чтение) и с многократной
Описью, при которой допускается произвольное число циклов записи и чтения.
По способу доступа к информации все ВЗУ делят на накопители с последо-
вательным и прямым доступом. Расположение блоков на поверхности носителя можно
Представить в виде линейного или двумерного массива (рис. 8.1). В первом случае для
Нахождения требуемого блока последовательно просматриваются все блоки. ВЗУ,
261
реализующие такой просмотр, называют накопите¬
лями с последовательным доступом; примером может
служить НМЛ, максимальное время поиска соответст¬
вует времени перемещения ленты от начала до конца и
достигает 1-2 мин. При расположении блоков инфор¬
мации на носителе в виде двумерного массива можно
организовать независимый поиск по каждому направ¬
лению.
Пусть задан номер строки (или дорожки) Yi, где
расположен искомый блок ij; тогда время поиска опре¬
деляется временем просмотра блоков только на этой
дорожке. ВЗУ, реализующие такой просмотр, называ¬
ют накопителями с прямым доступом: поиск в направ¬
лении Y в них производится за счет переключения или
перемещения органов считывания (головок), а просмотр в направлении X — за счет
перемещения носителя или продвижения информации по структуре (в ВЗУ на ЦМД). в
ВЗУ с прямым доступом один и тот же блок доступен для записи или считывания через
постоянные промежутки времени, определяемые в случае НМД временем оборота; поэто¬
му такой доступ иногда называют циклическим.
ВЗУ принято характеризовать следующими параметрами:
— емкостью памяти; при этом если носитель информации является сменным (пакет
МД, катушка MJI), то под емкостью ВЗУ понимают объем одного тома, который доступен
ВС без замены носителя (т.е. объем одного пакета для одношпиндельных или всех
одновременно установленных пакетов для многошпиндельных НМД);
— пропускной способностью или скоростью записи-считывания; блок на носителе
можно рассматривать в виде последовательности бит, расположенных вдоль направления
движения носителя. Длительность записи и считывания блока, таким образом, определя¬
ется временем, затрачиваемым на прохождение блока под головкой, а пропускная способ¬
ность соответствовует отношению объема блока ко времени его прохождения под голов¬
кой;
— временем доступа, т.е. интервалом времени от момента запроса до момента выдачи
блока; этот интервал времени не постоянен и зависит от множества факторов — скорости
перемещения носителя, скорости перемещения головки, прямого или последовательного
доступа, расстояния между текущим положением головки и расположением запрашива¬
емого блока на носителе и т.п. В случае подвижного носителя и прямого доступа этот
интервал складывается из времени поиска дорожки (затрачиваемого на перемещение
головки) и времени ожидания, пока блок на носителе не окажется под головкой. Время
поиска дорожки характеризуют минимальным (переход на соседнюю дорожку)»
максимальным (переход с крайней дорожки на противоположную) и средним зна¬
чениями. Время ожидания характеризуют средним значением, которое соответствует
половине длительности оборота носителя. Данные одного пользователя обычно размещу
ются на соседних дорожках, что уменьшает время поиска, однако при коллективном
использовании ВЗУ в мультипрограммном режиме эта «локальность» данных нарушается
и время поиска возрастает.
В системах внешней памяти преобладающее место занимают накопители с прямым
доступом, так как они обеспечивают приемлемое время поиска (порядка нескольких
X
ПП ПП GD
ПП пт| ГТ7~1
МН I и I \iL I
I n1 | | n2 I | Ш I
Рис. 8.1
262
миллисекунд), высокую пропускную способность (свыше 1 Мбайт/с), большую емкость
доя сменных пакетов МД до 300 Мбайт, модулей «винчестерского» типа — до 5 Гбайт,
для НОД — до 10 Гбайт). ВЗУ с последовательным доступом отличает низкая стоимость
хранения информации, но по всем другим параметрам они уступают накопителям с пря¬
мым доступом; поэтому НМЛ используют для сохранения информации на случай
аварийного разрушения, т.е. они служат в качестве резервных.
Одной из важнейших характеристик ВЗУ, обычно скрытых от пользователя, является
информационная плотность записи. Под плотностью записи <5, понимают число бит
информации, записанных на единице поверхности носителя; это — поверхностная плот¬
ность. Различают также продольную плоность <5/, бит/мм, т.е. число бит на единице
длины носителя вдоль вектора скорости его перемещения, и поперечную плотность дя,
бит/мм, т.е. число бит на единице длины носителя в направлении, перпендикулярном
вектору скорости:
= 6/ дя (8.1)
Плотность записи определяет геометрические размеры накопителя, параметры его
быстродействия, а также объем памяти. В свою очередь, информационная плотность
записи определяется принципами регистрации информации на носителе, материалами,
конструктивными особенностями и технологией изготовления как носителя, так и средств
записи-считывания.
8.1. Физические основы регистрации информации на подвижном носителе
Наиболее распространенными способами регистрации инфор¬
мации во ВЗУ является магнитная и оптическая запись на
поверхности подвижного носителя и запись информации в ЦМД-
структурах.
Основы магнитной записи. Запись и считывание информации
происходят в процессе взаимодействия магнитного покрытия, т.е.
«поверхности» носителя и магнитной головки (МГ). Магнитная
головка представляет собой электромагнит, располагаемый у повер¬
хности движущегося носителя; она состоит из сердечника, выполня¬
емого из магнитомягкого материала, обладающего малой
коэрцитивной силой и большим значением индукции насыщения, и
токовых обмоток. Слой носителя, в котором происходит непосредст¬
венная регистрация информации и ее хранение выполняется из
магнитотвердого материала со сравнительно большими значениями
коэрцитивной силы (Яс= 12 ООО—80 ООО А/м) и остаточной индукции
<Дп=0,1—0,6 Тл).
Материал магнитного покрытия носителя можно представить
Множеством хаотически расположенных магнитных доменов,
°риентация которых изменяется под действием внешнего магнитного
поля. Будем изображать магнитный домен стрелкой, острие которой
соответствует северному полюсу. На рис.8.2 показаны различные
возможные состояния материала носителя: (а) — размагниченное,
Когда ориентация доменов хаотична; (б) и (в) — намагниченности с
Рис. 8.2
горизонтальной ориентацией в одном из двух противоположных
состояний насыщения; (г) и (д) — намагниченности с вертикальной
ориентацией доменов перпендикулярно плоскости носителя.
Современные ВЗУ используют для записи информации два
противоположных состояния намагниченности, соответствующие рас¬
положению стрелок на рис.8.2 вправо и влево или вверх и вниз.
Размагниченное состояние, соответствующее хаотической ориентации
доменов на рис.8.2,а, не используется, так как возникают трудности
с переводом материала в это состояние, возрастает влияние помех,
ухудшаются показатели плотности записи. Домены материала пок¬
рытия ориентируются вдоль силовых линий внешнего магнитного
поля и, благодаря высокому значению коэрцитивной силы материала,
сохраняют полученную ориентацию в течение длительного времени
после окончания действия внешнего поля. Внешнее магнитное поле,
ориентирующее домены в определенном направлении, создается МГ
при записи, т.е. при подаче в ее обмотку тока записи. Если поле
МГ приводит к ориентации доменов в плоскости носителя
(рис.8.2,б,в), то магнитную запись называют горизонтальной; если
под действием поля головки домены приобретают ориентацию
перпендикулярно плоскости носителя (рис.8.2,д), то магнитную запись
называют вертикальной (или перпендикулярной). Из двух методов
записи наиболее распространена горизонтальная, хотя вертикальная
запись потенциально позволяет получить более высокие показатели
плотности.
Поскольку каждый из методов записи может использовать лишь
два состояния намагниченности покрытия, то для регистрации
информациии особое значение приобретают переходы от одного
состояния к противоположному. Этот переход является «отпечатком»,
который может быть обнаружен с помощью МГ чтения.
Горизонтальная магнитная запись. МГ записи
представляет собой магнитопровод из магнитомягкого материала с
зазором; на магнитопроводе размещается обмотка, в которую подается
ток записи /„, как показано на рис.8.За. При протекании тока /и
по обмотке МГ в ее магнитопроводе создается магнитный поток,
который замыкается через зазор g. Поскольку магнитное
сопротивление зазора g велико, поток частично замыкается через
264
магнитный слой носителя толщиной s, отстоящий от зазора головки
лз расстояние d, что и приводит к изменению ориентации доменов
в запоминающем слое. Таким образом, под действием тока в обмотке
записи домены магнитного слоя носителя ориентируются в одном
направлении на тех участках, которые оказались в «зоне действия»
МГ при перемещении носителя относительно нее. Если изменить
направление тока записи Iw, то ориентация доменов на соответству¬
ющих участках носителя изменится на противоположную.
На рис.8.3,6 показано воздействие тока на различные участки
носителя при его движении. При равномерном движении сохраняется
пропорциональная зависимость между временем протекания тока в
МГ и перемещением носителя L. В результате в магнитном слое
остаются отпечатки в тех местах носителя, которые находились под
МГ записи в моменты переключения тока /*,. Каждый отпечаток
соответствует переходу (границе) между участками носителя с
противоположными состояниями намагниченности. Количество пере¬
ходов, размещаемых на единице площади носителя, называют
физической плотностью записи. Предельное значение физической
плотности записи зависит от метода магнитной записи (вертикальная
или горизонтальная), величины зазора в МГ и ее конструкции,
расстояния между МГ и покрытием носителя, от характеристик
магнитного материала носителя и ряда других факторов.
Магнитная головка чтения позволяет определять моменты
времени, когда при движении носителя под ней оказываются границы
между участками с противоположными состояниями намагниченности
носителя. Магнитный поток, создаваемый доменами носителя,
частично замыкается через магнитопровод МГ чтения. При прохож¬
дении под МГ чтения отпечатка потокосцепление ее обмотки
изменяется и в ней наводится ЭДС. Согласно закону Фарадея, ЭДС
считывания Ur пропорциональна скорости изменения потока Ф:
U = —k dO/dT.
(8.2)
Ь
I
Рис. 8.3
265
$
Рис. 8.4
Рассмотрим более подробно доменную модель носителя рис.8.4,а.
Пусть толщина магнитного слоя s достаточно мала и домены по всей
толщине ориентированы в одном направлении на участке длины
носителя АВ. В результате, если МГ чтения находится над этим
участком, его ориентированные домены создают в ней поток Фь
Аналогично на участке CD в МГ создатеся поток Фг. Участок носителя
ВС длиной а соответствует переходу при переключении тока в головке
записи. Поток в магнитопроводе МГ чтения является результирующим
от действия магнитных полей всех участков носителя, но наибольшее
влияние на него оказывают участки, расположенные в непосредст¬
венной близости от зазора МГ. Можно считать, что на некотором
удалении от перехода в точках А и С поток в МГ равен Ф1 и Ф2,
соответственно. Величины Ф1 и Ф2, очевидно, определяются толщиной
носителя, расстоянием МГ до поверхности носителя, магнитными
свойствами материала, т.е. Ф*Ф(б/,5,^г,^0, где Вг — остаточная
магнитная индукция, X — координата точки носителя, расположенной
под зазором МГ. Далее учтем, что носитель перемещается относитель¬
но МГ чтения с постоянной скоростью V, т.е. Lr=vt. Это позволяет
записать, что
Ur - kVdO (d,s,Br,X)ldL. (8.3)
Если отпечатки расположены далеко друг от друга и их
взаимным влиянием можно пренебречь, форма наводимой в обмотке
головки чтения ЭДС хорошо аппроксимируется гауссовым импульсом
(рис.8.4,б), а длительность воспроизводимого импульса ТО,5 на уровне
половины его максимальной амплитуды определяется по приближен¬
ной формуле [57 ]:
т = ( \ ) (^2)2 + (a+d+s) ia+d) . (8.4)
Эта формула показывает, что сокращения длительности импульса
воспроизведения можно достичь путем уменьшения зазора в головке
266
g, толщины магнитного покрытия s, расстояния d и длины перехода
а. Длина перехода определяется взаимодействием соседних участков
носителя и для заданного материала при горизонтальном методе
записи ограничена снизу. Уменьшение толщины покрытия снижает
амплитуду сигнала Ur. Толщина покрытия из материала на основе
окислов железа составляет около 5 мкм, а на основе сплава
Ni-Co — около 0,2-0,5 мкм; зазор в магнитопроводе составляет 0,2-5
мкм.
Важным параметром является расстояние от зазора головки до
поверхности носителя. Если оно равно нулю, то реализуется
контактная запись, характерная для MJI и ГМД, когда основой
магнитного носителя являются материалы, выполненные на
полиэфирной или ацетатной основе. При контактной записи трение
между носителем и МГ вызывает их износ и ограничивает допустимую
скорость движения носителя. При использовании жестких дисков
реализуют бесконтактную запись, при которой МГ находится на
некотором расстоянии над поверхностью носителя. [Это расстояние
Для различных устройств составляет 0,2 — 5 мкм ].
Рассмотрим влияние на форму сигнала соседних переходов. На
рис.8.5,а приведены формы сигналов, которые были бы получены
при отсутствии влияния соседнего перехода (1 и 2), а также форма
Реального сигнала считывания (3), которая определяется суммой двух
гауссовых импульсов противоположной полярности. Из рисунка видно,
что наличие перехода противоположного направления приводит к
Уменьшению амплитуды сигнала и фазовому сдвигу. Еще более
очевидно влияние соседних переходов для случая трех близлежащих
Переходов (рис.8.5,б). Взаимовлияние соседних переходов особенно
сИльно при высокой плотности и должно учитываться при построении
с*ем записи и воспроизведения.
Вертикальная магнитная запись. Для ориентации
Доменов в вертикальном направлении необходимо сформировать
267
Рис. 8.6
магнитный поток записи таким, чтобы он был перпендикулярен
поверхности носителя и направлению его перемещения. Кроме того,
магнитный материал носителя должен обладать одноосевой магнитной
анизотропией с осью легкого намагничивания, перпендикулярной
плоскости носителя. В настоящее время наиболее употребительным
является сплав кобальта и хрома. Для создания вертикального
магнитного поля записи используются МГ различных конструкций.
На рис.8.6,а показана МГ с узким рабочим 1 полюсом и широким
полюсом замыкания 2. В качестве' носителя информации при этом
используется многослойная структура, включающая наружний за¬
поминающий слой 3 и специальный железо-никелевый слой замы¬
кания 4. Под действием тока записи Iw в обмотке возникает
магнитный поток, проходящий через запоминающий слой, где силовые
линии вертикальны, и замыкающийся через слой замыкания,
материал которого обладает высокой магнитной проницаемостью.
Поскольку напряженность магнитного поля H=0/S, где S—площадь
сечения магнитопровода, то можно подобрать такое соотношение
площадей записывающего полюса головки Sw и полюса замыкания
Sb, чтобы при некотором постоянном значении тока записи Iw
выполнялось условие:
Нь < Нс < Hw .
где Нь — напряженность магнитного поля в запоминающем слое под
полюсом замыкания, Нс — коэрцитивная сила, Hw — напряженность
магнитного поля в запоминающем слое под записывающим полюсом
головки.
Под действием поля напряженности Н„, превышающей ко¬
эрцитивную силу, происходит вертикальная ориентация доменов в
запоминающем слое; ориентация доменов под полюсом замыкания
(Нь ^ Нс) не изменяется.
Для упрощения структуры носителя используют МГ записи,
состоящую из двух «разделенных» полюсов, расположенных по обе
стороны носителя (рис.8.6,б). Записывающий полюс головки 2
расположен вблизи запоминающего слоя и имеет небольшую площаДь
268
E R
WR
о
От схем
о——
кодирования
сечения. С противоположной стороны носителя расположен вспомо¬
гательный полюс головки 7, имеющий большое сечение. Запомина¬
ющий слой наносят на немагнитную основу. Такая конструкция
обеспечивает возможность записи только с одной стороны носителя,
но позволяет перемещать лишь рабочий, записывающий полюс.
Способ может быть использован в НГМД. Существуют и другие
разновидности способов вертикальной магнитной записи.
Схемы записи и воспроизведения. Чтобы создать
магнитный поток МГ, в ее обмотке должен протекать ток Iw или
-Iw в процессе записи, а чтобы предотвратить разрушение записанной
информации при хранении и считывании информации, ток записи
должен отсутствовать. Этого можно добиться с помощью следующей
схемы (рис.8.7,а). МГ записи имеет две обмотки wi и иъ, включенные
встречно. При наличии разрешающего сигнала записи WR ток от
источника через резистор R протекает по обмотке wi, создавая
магнитный поток и переводя носитель в одно из состояний
намагниченности. Противоположное состояние намагниченности соз¬
дается при протекании тока 2IW по обмотке W2, при этом создаваемый
результирующий магнитный поток имеет противоположное направ¬
ление. Ток 21 w формируется усилителем записи при наличии сигнала
разрешения записи и сигнала от схем кодирования. Алгоритм
формирования сигнала зависит от принятых способов кодирования
информации. Использование элементов с тремя состояниями позво¬
ляет уменьшить энергетические затраты и несколько повысить
быстродействие, так как требует коммутации меньших токов
фис.8.7,б). Сигнал WR переводит схему в состояние большого
выходного сопротивления, при этом ток в обмотках wi и W2
°тсутствует. При разрешении записи (т.е. WR=1) ток записи Iw
Протекает от усилителей по одной из обмоток МГ в зависимости от
сигнала, поступающего со схем кодирования. Значительно большие
тРУДности возникают при воспроизведении, так как необходимо
Вь*Делять слабые полезные сигналы (около 100 мкВ) на фоне помех
и амплитуднсг-фазовых искажений. На рис.8.8 показан результат
Непосредственного усиления сигналов различной амплитуды. Длитель-
269
О) s)
Рис. 8.7
Уровень
срабатывания
схем
Сигнал после
усиления и
ограничения
ность выходного сигнала после усиления
и ограничения зависит от его амплитуду
Для устранения искажений, вызванных
зависимостью длительности выходного
сигнала от амплитуды сигнала воспроизве¬
дения игу используют метод ♦ пикового
детектирования. Он может быть реализо¬
ван путем дифференцирования сигнала
воспроизведения (после линейного уси¬
ления) с последующим выделением пере¬
хода через нулевой уровень посредством
компаратора (рис.8.9,а).
Момент времени tn, соответствующий переходу сигнала через
нулевой уровень, определяется фронтом выходного сигнала и не
зависит практически от амплитуды сигнала воспроизведения при
сравнительно невысоких плотностях записи. Этот фронт может
использоваться в качестве стробирующего сигнала. При более высоких
плотностях записи лучшими показателями обладает фазовое де¬
тектирование (рис.8.9,б). Сигнал воспроиведения Ur после линейного
усиления инвертируется и задерживается на некоторую постоянную
величину т. Затем прямой и задержанный сигналы складываются.
Последующее усиление и ограничение сигнала позволяет выделить
фронт tn, который сдвинут относительно пика сигнала воспроизведения
Ur на постоянную величину т/2, не зависящую от амплитуды сигнала
Ur.
Физические основы оптической записи. Методы оптической
записи на поверхности подвижного носителя основаны на способности
некоторых материалов изменять отражательные свойства на участках,
которые подвергались тепловому, магнитному или комбинированному
воздействию. Преимущества оптической записи заключаются в
потенциально высокой поверхностной плотности (106— 107 бит/мм ,
что на порядок выше плотности магнитной записи), возможности
получения высоких скоростей передачи данных, а также возможности
использования дешевых способов получения копий хранимой инфор¬
мации. Однако многие методы оптической записи либо обеспечивают
воможность только однократной записи, либо требуют сложных
средств и больших затрат времени на реализацию селективного
стирания.
Первоначально для оптической записи использовали свойство
лазерного луча прожигать отверстие в тонком слое металла,
нанесенного на стеклянный диск-подложку. На рис.8.10,а показано,
что сфокусированный оптической системой (ФС) лазерный луч
большой мощности от источника (И) прожигает отверстия в
металлическом запоминающем слое (ЗС) носителя; прожженное
отверстие является оптическим отпечатком, который может быть
270
и г /
\\
//
\\
У/
\\
I
Уровень v
срабатывания
компаратора
После усиления и
ограничения
а)
5)
Рис. 8.9
распознан с помощью лазерного луча считывания меньшей мощности
и фотодетектора (рис.8.10,6). Отраженный световой луч считывания
попадает на фотодетектор, и в зависимости от его интенсивности
формируется электрический сигнал, соответствующий наличию или
отсутствию отверстия-отпечатка. Этот метод обеспечивает однократ¬
ную запись информации, а поэтому может использоваться только
для постоянных ВЗУ. Запоминающий слой покрыт прозрачным
предохранительным слоем (ПрС), и поэтому мелкие пылевые частицы
не влияют на процессы записи-считывания, так как находятся не в
фокусе лазерного луча.
Изменение коэффициента отражения запоминающего слоя в
местах записи можно обеспечить воздействием луча записи на
промежуточный слой органического материала, расположенный не¬
посредственно под тонким металлическим слоем. Локальный нагрев
Участков органического материала приводит к выделению газов и
вспучиванию металлического слоя непосредственно в точке нагрева.
Участок вспучивания является отпечатком, детектируемым при
считывании. Этим также достигается лишь однократная запись.
Возможность многократной записи обеспечивается при исполь¬
зовании магнито-оптических носителей. Запоминающий слой выпол¬
няется из аморфной магнитной пленки (например, на основе сплава
^b-Fe-Co), которая при записи нагревается лучом лазера до
Температуры выше температуры точки Кюри. Под действием внешнего
271
I \
I ХуЛуч записи
i \
VC (O)
\ i
\ i
,/, '/' „ '// Подложка
ft //
7 Рис. 8.10
магнитного поля нагретые участки изменяют состояние намагничен¬
ности (рис.8.11,а,) которое сохраняется и после охлаждения
(рис.8 Л 1,6). Для считывания информации на поверхность носителя
направляется узкий пучок поляризованного света; намагниченные
отпечатки изменяют угол поляризации и, таким образом, могут быть
детектированы. Стирание информации производится аналогично
записи, однако направление магнитного поля при этом должно быть
противоположным.
Оптические методы записи на подвижном носителе позволяют
получить высокую плотность (до 0,1-0,3 Мбит/мм ), что делает
возможным на одном диске стандартного диаметра 304,8 мм
размещать 10-40 Гбит информации. Технология оптической памяти
нацелена на создание памяти, аналогичной памяти на магнитных
дисках, но с емкостью на несколько порядков выше. К настоящему
времени серийно выпускаются оптические ЗУ с однократной записью,
в частности ЗУ на компактных оптических дисках. Так, изготавлива¬
емый в Болгарии и подключаемый к миниЭВМ и профессиональным
ПЭВМ через интерфейс SCSI накопитель имеет емкость 600 Мбайт
(на диске диаметром 120 мм), пропускную способность 153 Кбайт/с.
Оптические диски с однократной записью служат средством распро¬
странения баз данных и программного обеспечения, записываемых
на диск в процессе изготовления. В последнее время отечественной
промышленностью начат выпуск НОД с многократной записью.
Луц
\И
4% считы- щ/
\\дания *>/
\ч^\ ^у j Отражен-
\ \ \ ajr^Cj'/ ный луч
фж
ы —
* у, » » *
Ф
272
Рис. 8.11
8.2. Представление цифровой информации на носителе
Рассмотрим способы, которые устанавливают соответствие отпе¬
чатков (переходов) на поверхности носителя значениям «О» и «1»
записываемой цифровой информации; их принято называть способами
записи. Наиболее распространенными являются способы записи без
возврата к нулю (БВН), частотной (ЧМ) и фазовой (ФМ) модуляции,
группового кодирования (ГК).
При выборе способа записи необходимо учитывать возможность
получения высокой плотности, помехоустойчивости и достоверности,
сложность трактов записи и восстановления информации и ряд других
факторов. Трактом (или каналом) записи-воспроизведения называют
совокупность аппаратных средств, позволяющих при операциях
записи получать отпечатки на носителе в соответствии с тем или
иным способом записи и восстанавливать записанную кодовую
последовательность при операциях чтения. При магнитной записи
основными компонентами тракта записи-воспроизведения являются
головки (записи и воспроизведения), усилители записи и воспроизве¬
дения, детекторы информационных и синхронизирующих сигналов,
схемы управления записью и воспроизведением.
Способ записи без возврата к нулю. Проблемы,
возникающие при восстановлении цифровой двоичной информации
по отпечаткам на носителе, выявим на примере наиболее распро¬
страненной разновидности способа записи БВН с переключением
потока по единицам (БВН-1), или модифицированного способа БВН
(БВНМ).
При регистрации цифровой информации на магнитном носителе
производится изменение направления тока записи Iw в обмотке МГ
при записи «1». Таким образом, при записи каждой единицы
магнитный поток в МГ изменяет направление на противоположное,
т.е. происходит «переключение потока», и на поверхности носителя
остаются отпечатки — переходы от одного направления намагничен¬
ности к противоположному. При записи «О» направление тока записи
и, следовательно, состояние носителя не изменяются; таким образом,
при записи «О» на поверхности носителя отпечатков не остается. В
процессе считывания информации с носителя в МГ чтения инду¬
цируются импульсы в моменты времени, когда под головкой
оказываются переходы-отпечатки; эти импульсы соответствуют «еди¬
ницам» в записанной цифровой последовательности. Диаграмма,
Показывающая изменение тока записи Iw, состояние носителя М и
считываемого сигнала Ur приведена на рис.8.12,а. Отметим, что запись
И считывание осуществляются при постоянной скорости перемещения
носителя: L = VH t. Это дает возможность на временной диаграмме
°тразить состояние носителя в зависимости от перемещения под МГ.
*0 - 836 273
Записываемая
1 1
последовательность
iwm _i I—[
Mil)
H о I о I о I / I
БВН1
ФК
iw(t> _r\_r\_j I
M(l)
Urltl ArS
СИ
6)
ЧМ
,y,A yjL.
tSt
МФМ
Iw(t)
MU)
Ur(t)
СИ
J I I I L
c Ic I
\L = Vt
AAA A A A A—A—L
/„(« П П ru I—П Ш—ry>
I tunul
Чт*
Ur It)
СИ
НИИ! III I * Li
г)
Рис. 8.12
Поскольку при записи «О» на носителе отпечатка не оставалось,
то для восстановления цифровой последовательности при чтении
необходимо определить количество нулей, размещенных между
каждыми двумя прочитанными отпечатками. Задачу можно решить
путем организации синхронизации. Процесс записи разбивается на
такты постоянной длительности; в каждом такте производится запись
одной «1» или одного «О», причем при записи «1» на носителе
образуется отпечаток, а при записи «О» — нет. При считываний
границы тактов восстанавливаются. Если в рамках восстановленного
такта с МГ чтения был получен импульс, то это соответствует «1»
274
в цифровой последовательности, а если импульс в такте отсутствовал,
то это соответствует «О».
Для восстановления тактов можно воспользоваться одним из
следующих приемов:
1) при записи каждый такт отмечается отпечатком на служебной
дорожке носителя. Тогда при чтении организуется одновременное
считывание с информационной и служебной дорожек. Совпадение
сигналов с обеих дорожек свидетельствует о том, что в цифровой
последовательности должна быть восстановлена «1», а наличие
сигнала только с дорожки синхронизации — что должен быть
восстановлен «О»;
2) при параллельной записи одновременно по нескольким
дорожкам исходные комбинации «О» и «1», подлежащие записи в
одном такте, преобразуются к таким комбинациям, которые содержат
по меньшей мере одну «1» и, следовательно, в каждом такте по
крайней мере на одной из дорожек оставляется отпечаток. Этот
прием требует наличия дополнительной дорожки и обычно реализу¬
ется при записи с контролем по нечетности. При чтении каждый
такт отмечается наличием сигнала с любой головки чтения; сигнал
синхронизации формируется путем дизъюнкции сигналов от всех МГ
чтения. Вследствие «перекоса» носителя возможно неодновременное
считывание сигналов для каждого такта, что ограничивает воможности
применения такой синхронизации при высокой продольной плотности
записи;
3) используется автономный генератор сигналов синхронизации,
частота которого Fcu определяется по формуле
F„ = 103<5/ V» , (8.5)
где <5/ — продольная плотность, бит/мм, VH — скорость носителя, м/с.
Вследствие того, что постоянство скорости носителя V» может
поддерживаться лишь в рамках определенных технических допусков,
между моментами формирования сигналов синхронизации в автоном¬
но работающем генераторе и моментами считывания с носителя,
соответствующими тактами записи, возникает временное рассогласо¬
вание А Т, пропорциональное числу тактов N от момента запуска
генератора
10-3jV avh
AT =
<5 LVH
гДе AV — непостоянство скорости перемещения носителя.
С целью уменьшения АТ генератор синхросигналов повторно
Спускается каждым детектированным сигналом при считывании
информации с носителя, т.е. в случае записи способом БВН-1, каждой
Остановленной единицей в числовой последовательности. Тогда
Последняя формула преобразуется к виду
275
<5; LVH 2
где No — максимальная длина последовательности нулей в исходной
цифровой последовательности.
Формула (8.6) показывает, что допустимое рассогласование
моментов времени считывания с сигналами синхронизации может
быть достигнуто путем уменьшения непрерывных последовательностей
нулей при записи. Если сигнал синхронизации можно выделить
непосредственно из сигнала, получаемого при считывании инфор¬
мационных отпечатков на носителе, то такое свойство способа записи
называют самосинхронизацией. БВН-1 не обладает свойством са¬
мосинхронизации.
Способы группового кодирования (ГК). Для
ограничения максимальной длины непрерывной последовательности
нулей при записи можно использовать принцип группового
кодирования. Вся подлежащая записи на носителе цифровая после¬
довательность разбивается на группы по m бит в каждой. Затем
каждая группа из m бит заменяется промежуточной группой из
(т+1) бит; на носитель осуществляется запись последовательностей
промежуточных групп способом БВН-1. В процессе считывания по
отпечаткам на носителе воспроизводится сигнал, соответствующий
последовательности промежуточных групп. Затем выделяются проме¬
жуточные группы по (т+1) бит и каждая промежуточная группа
декодируется, т.е. заменяется исходной группой из т бит. Варианты
способов группового кодирования принято обозначать дробью
m/(m+l), в которой числитель указывает число бит в исходной, а
знаменатель — число бит в промежуточной последовательностях.
Наиболее известны способы ГК Габора (разновидность способа ГК
2/3), а также 4/5 и 8/9. Принцип ГК поясним на примере способа
2/3 (табл.8.1).
Табл ица8. i
Возможные комбинации бит
в исходной группе (т-2)
Возможные комбинации бит в промежуточной группе
(m+1-З)
1 1
1 1 1
01 1
1 0
1 1 0
010
01
101
00 1
00
1 00
000
Комбинации бит исходной последовательности заменяются
такими комбинациями промежуточной последовательности, чтобы в
них содержалось минимальное число нулей. Как видно из таблицы,
исходные комбинации 11, 10, 01 заменяются на комбинации из трех
бит добавлением единицы справа, а исходная комбинация 00
заменяется на одну из трехбитовых комбинаций 110 или 010. Них<е
приведен пример исходной цифровой последовательности А, в которой
максимальная длина непрерывной последовательности нулей состав-
ляет 7; а соответствующая ей промежуточная последовательность В,
276
непосредственно записываемая на носитель, содержит не более двух
подряд:
А 10 11 00 00 00 01 01
В 101 111 110 110 110 011 011
В способе ГК, предложенном Габором, используются два режима
(I и II) соответствия исходных 2-битовых и промежуточных
3-битовых комбинаций (табл.8.2).
Таблица 8. 2
Исходная комбинация
Промежуточная комбинация
Режим 1
Режим 2
0 1
01 1
1 1 1
1 0
101
101
1 1
1 1 1
1 1 1
00
1 1 0
101
010
Замена исходной последовательности на промежуточную при
записи и восстановление при считывании выполняются по следую¬
щему правилу. Все 2-битовые исходные комбинации заменяются
промежуточными 3-битовыми комбинациями режима I до тех пор,
пока не встречается комбинация «00». Комбинация «00» заменяется
на 3-битовую комбинацию «010», если в исходной последовательности
следующая цифра (из следующей 2-битовой комбинации) представ¬
ляет собой «0», и на комбинацию «110», если следующая цифра
соответствует «1». Таким образом, в следующей 2-битовой
комбинации необходимо закодировать с помощью 3-битовой проме¬
жуточной комбинации по существу лишь вторую цифру. Двухбитовая
комбинация исходной последовательности, которая встречается вслед
за комбинацией «00», заменяется на 3-битовую в режиме II, посте
чего восстанавливается режим I. При таком кодировании в проме¬
жуточной последовательности не может встретиться более двух нулей
подряд.
Групповые коды 4/5 и 8/9 строятся по аналогичным правилам
и позволяют в промежуточной последовательности иметь не более
Двух нулей подряд. Естественно, поскольку промежуточные
комбинации длиннее исходных, логическая плотность записи инфор¬
мации снижается соответственно в 3/2, 5/4 и 9/8 раза, но
обеспечивается возможность синхронизации. Чем длиннее кодовая
комбинация, тем меньше снижение логической плотности, но тем
сложнее схемы кодирования и декодирования и жестче требования,
Предъявляемые к стабильности скорости перемещения носителя.
277
В описанных способах ГК минимальное расстояние между
отпечатками на носителе соответствует одному тактовому интервалу
(две смежные единицы в промежуточной последовательности). При
высокой стабильности скорости перемещения носителя и том же
минимальном расстоянии между отпечатками можно увеличить
логическую плотность записи, сохранив свойство самосинхронизации.
Для этого промежуточная последовательность должна иметь вид
1X1X1..., где X — подпоследовательность нулей, включающая в себя
не менее </, но не более к нулей. Такой групповой код называется
dk-кодом. Принцип его построения аналогичен описанному выше,
однако число допустимых комбинаций промежуточной последователь¬
ности здесь меньше, поэтому с/£-коды требуют замены исходной
комбинации из m бит промежуточной комбинацией из (m+n) бит,
где л>1. Наиболее распространен код 2,7. При воспроизведении
вместо X производится подстановка нулей, число которых
пропорционально длительности интервала между детектированными
отпечатками, соответствующими единицам.
Существует многочисленная группа способов записи, в которой
регистрация и восстановление цифровой последовательности осуще¬
ствляются по изменению фазы или частоты сигнала воспроизведения.
Эти способы записи позволяют работать в условиях более низкого
отношения сигнал-шум, т.е. обеспечивает возможность более высокой
плотности записи, но требует более сложных схем записи и
считывания, а также высокой стабильности скорости носителя.
Наиболее распространенными в этой группе являются способы
фазовой модуляции (ФМ), частотной модуляции (ЧМ),
модифицированной фазовой модуляции (МФМ).
Способ фазовой м од уляции или кодирова¬
ния (ФМ или ФК). В начале каждого такта записи в МГ
производится переключение направления тока, а следовательно, и
изменение намагниченности носителя; при этом для записи «1»
полярность тока изменяется в одном направлении (например, от
положительной к отрицательной, как показано на рис.8.12,6, а для
записи «О» — в противоположном. При этом отпечатки «О» и «1» на
носителе будут отличаться направлением изменения намагниченности
носителя в местах, соответствующих началам тактов записи. Это
позволяет при считывании восстанавливать как «О», так и «1», т.е.
такой способ обладает свойством самосинхронизации.
Для записи последовательности одинаковых бит перед началом
очередного такта записи ток в МГ должен быть переключен на
противоположный. Это изменение тока оставляет на носителе ложные
отпечатки, которые приводят к появлению «ложных» пиков в сигнале
воспроизведения. Ложные пики появляются в моменты, соответствуй
ющие середине тактовых интервалов. Логические схемы тракта
воспроизведения должны подавлять эти ложные сигналы, с этой
278
делью они отличают моменты времени, соответствующие началам и
серединам тактовых интервалов. Обычно это достигается пред¬
варительной «настройкой» схем тракта воспроизведения с помощью
служебной последовательности (состоящей из фиксированного числа
дулей или единиц), предшествующей информационной последова¬
тельности на носителе. Положительные импульсы (последовательность
дз нескольких единиц) служебной последовательности определяют
моменты начала тактовых интервалов и устанавливают в исходное
состояние времязадающие схемы тракта воспроизведения, после чего
обеспечивается возможность нормальной работы тракта.
Способ частотной модуляции (ЧМ). Этот способ
иногда называют двухчастотным. При записи на магнитный носитель
в начале тактового интервала производится переключение тока в
обмотке МГ записи, что соответствует изменению направления
намагниченности носителя. Переключения тока записи отмечают
начала тактов записи и используются в тракте воспроизведения для
формирования сигналов синхронизации. Таким образом, и этот способ
обладает свойством самосинхронизации. Запись единиц и нулей
производится в середине тактового интервала (рис.8.12,0), причем
при наличии записи «1» в середине тактового интервала в обмотке
записи производится инвертирование тока, а при записи «0»-
направление тока остается неизменным и, следовательно, при записи
«О» отпечатка на носителе не остается. Нетрудно видеть, что этот
способ логически представляет собой способ ГК 1/2. При считывании
логические схемы тракта записи определяют наличие сигнала
произвольной полярности в моменты, определяющие середину такто¬
вых интервалов; наличие сигнала в этот момент соответствует
считыванию «I», а отсутствие — считыванию «0». Как и при способе
ФМ, при способе ЧМ требуется предварительная настройка ло¬
гических схем тракта воспроизведения на начала тактовых интерва¬
лов.
При записи способами ФМ и ЧМ отпечатки могут располагаться
на расстояниях, соответствующих 1/2 длительности такта записи.
Близкое расположение отпечатков ухудшает возможность распозна¬
вания сигналов. Поэтому в последнее время получают распростра¬
нение способы, обладающие свойством самосинхронизации, но для
которых отпечатки отстоят друг от друга на расстоянии, соответст¬
вующем одному такту и более. Эти способы, однако, требуют более
сложных логических схем в трактах записи и воспроизведения.
Способ модифицированной фазовой моду -
Ляции (МФМ). Процесс записи и воспроизведения способом МФМ
Иллюстрируется рис.8.12,г. При записи «1» производится изменение
Направления тока в обмотке МГ в моменты, соответствующие началам
^актовых интервалов. Для записи «0» необходимо сдвинуть фазу
записи и производить переключение тока в обмотке записи в
279
моменты, соответствующие серединам тактовых интервалов. Каждому
изменению тока в МГ записи соответствует отпечаток на носителе,
причем «1» соответствуют отпечатки в началах, а «О» — в середине
тактовых интервалов; направление изменения намагниченности при
этом значения не имеет. Отпечатки располагаются друг от друга на
расстоянии, соответствующем длительности интервала записи Т при
записи непрерывных последовательностей одинаковых значаний бит
(«О» или «1»); на растоянии, сооветствующем 1,5т1 при переходе от
«1» к «О»; на расстоянии, соответствующем 0,57 при переходе от
«О» к *1». Чтобы избежать интервала в 0,57, переключение тока в
обмотке не производится для тех нулей последовательности, которые
располагаются непосредственно перед единицами, например, в
последовательности 0Q1 1Q1Q1 1 10 0. Нули, для которых
на носителе отпечатки отсутствуют, подчеркнуты чертой. При такой
записи расстояния между отпечатками на носителе соответствуют
трем интервалам: Г, 1,57, 27, поэтому рассматриваемый способ
иногда называют трехинтервальным.
Логические схемы тракта воспроизведения, как и при ФМ и
ЧМ, должны быть предварительно «настроены» на начало тактового
интервала с использованием служебной последовательности. В даль¬
нейшем эти схемы детектируют указанные интервалы между
импульсами воспроизведения и восстанавливают исходную последо¬
вательность следующим образом:
— если схемы «настроены» на начало тактового интервала и
выделен интервал 7 (импульс обнаружен в начале интервала), то
текущему биту присваивается значение «1»; если выделен интервал
1,57", то текущему биту присваивается значение «0», а схемы тракта
воспроизведения перестраиваются на середину тактового интервала;
если выделен интервал 27, то формируются сразу значения двух
бит «01»;
— если схемы «настроены» на середину тактового интервала и
выделен интервал 7 (это соответствует импульсу в середине тактового
интервала), то текущему биту присваивается значение «0»; если
выделен интервал 1,57, то формируется значение сразу двух бит
«01», а схемы тракта воспроизведения перестраиваются на начало
тактового интервала.
Дополнительное уменьшение числа отпечатков на носителе (в
частности для способа М2ФМ) достигается усложнением такта
записи-воспроизведения.
Многочисленность используемых способов записи объясняется
разнообразными требованиями, предъявляемыми к ним различными
ВЗУ. В табл.8.3 приведены некоторые характеристики этих способов,
а также устанавливаемые стандартом значения продольной плотности.
Окно детектирования определяет тот интервал времени, в течение
280
которого прием сигнала не приводит к искажению восстанавливаемой
цифровой последовательности.
Таблица 8. 3
Характеристика
БВН-1
ГК 4/5
ФМ
чм
МФМ
Самосинхрониза¬
ция
нет
имеет
имеет
имеет
имеет
Окно детекти¬
рования
0,5т
0,4т
0,25т
0,25т
0,88т
Отношение числа
бит к числу переходов
0,5
0,82
1,5
1,5
1
Стандартная про¬
дольная плотность,
бит/мм
8 и 32
246
63
160
128
160, 128
425
Тип ВЗУ, где на¬
ходит применение
НМЛ
НМЛ
НГМД
НМД
НМД
НГМД
НМД
Рассмотренные способы записи (или кодирования) обеспечивают
возможность регистрации кода на носителе и его последующего
восстановления при чтении в отсутствии помех; они могут приме¬
няться и в оптических ВЗУ. В реальных условиях для повышения
достоверности данных используются специальные корректирующие
коды. Подлежащая регистрации информация вначале кодируется с
помощью корректирующего кода, затем этот код записывается на
носитель тем или иным способом записи; при воспроизведении
вначале восстанавливается корректирующий код и лишь затем —
исходный. Выбор корректирующего кода определяется типом
носителя, расположением информации на нем и наиболее вероятными
ошибками.
8.3. Внешние запоминающие устройства на подвижном носителе с пря¬
мым доступом
В ВЗУ организовано безадресное хранение достаточно крупных
квантов (блоков) информации, записываемых в виде последователь¬
ностей отпечатков на концентрических окружностях-дорожках. В
группу ВЗУ с прямым доступом входят накопители, различающиеся
типом носителя (оптический диск; жесткий магнитный или гибкий
магнитный диск), числом головок записи-считывания (одна головка
на каждую дорожку или на всю поверхность), способом размещения
н структурой блоков на носителе, конструктивно-технологическими
параметрами и т.п.
Логическая организация информации на носителе. Структура
блоков и способ размещения их на носителе называется логической
организацией информации. Она должна обеспечивать минимальное
281
время доступа при заданных конструктивных ограничениях, удобство
доступа со стороны программ пользователя; высокую достоверность
хранения информации. Логическая организация информации тесно
связана с конструктивными особенностями накопителя. Для ВЗУ с
прямым доступом характерна секторная и форматная запись.
Рассмотрим наиболее распространенный тип ВЗУ с прямым
доступом — НМД с подвижными головками. На каждой поверхности
дисков предусмотрена одна МГ. Перемещение всех МГ вдоль радиуса
осуществляется одновременно с помощью позиционера (П)—рис.8.13.
Таким образом, одновременно доступна информация, находящаяся
на различных поверхностях дисков (МД) пакета, но на одинаковых
радиусах. Магнитные отпечатки, оставленные на поверхности диска
при неизменном положении головки, образуют дорожку. Совокупность
дорожек одного радиуса на различных поверхностях пакета называ¬
ется цилиндром (Ц).
Блоки информации располагаются вдоль дорожки и их можно
пронумеровать таким образом, чтобы номер каждого блока состоял
из трех частей: номера (или адреса) цилиндра С, номера поверхности
или головки Н и порядкового номера блока В на дорожке.
Совокупность номеров СН образует номер дорожки. Такая структура
адреса блока отражает особенности доступа к информации в этом
типе ВЗУ: все блоки одного цилиндра могут быть прочитаны без
перемещения блока головок. Обычно цилиндры нумеруют последова¬
тельно, начиная с наружного, которому присваивается адрес С=Ю00.
Порядковый номер блока В на дорожке определяется относительно
начала дорожки, которое отмечается индексным маркером. Обычно
используется единственный индексный маркер для всех дорожек.
Физически он выполняется в виде некоторой отметки (например,
прорези на краю одного из дисков пакета), детектируемой аппарат¬
ными средствами ВЗУ. В дальнейшем для простоты будем рас¬
сматривать развертку кольцевой дорожки, начало которой совпадает
с положением индексного маркера.
Наиболее простой организацией информации является секторная
запись; при ней дорожки делятся на определенное число секторов
фиксированной длины. Начало дорожек отмечается индексным
маркером, отделяемым от первого сектора индексным «промежутком»
(G1). В индексном промежутке записывается служебная последова¬
тельность фиксированного числа единиц и нулей, которая позволяет
«настроить» схемы воспроизведения на начало тактового интервала
записи и тем самым обеспечить правильную синхронизацию при
воспроизведении информации. Сектора отделяются друг от друга
межсекторными промежутками G3, в которых также записывается
служебная последовательность единиц и нулей, поддерживающая
синхронизацию схем воспроизведения. Каждый сектор состоит из
двух полей — идентификатора ID и данных R (рис.8.14). Поле
282
идентификатора содержит адресный
маркер (AM), отмечающий начальную
цифровую позицию; адрес дорожки (С),
номер сектора (S) и байт циклического
контроля (CRC). Адрес дорожки и
номер сектора позволяют проверить
правильность завершения операции
поиска сектора. Поле данных начина¬
ется с маркера данных (DM), отлича¬
ющего первую цифровую позицию
поля, затем размещаются собственно
данные (запись пользователя
фиксированной длины R) и байты
циклического контроля. Поля идентификатора и данных разделяются
промежутком G2. Недостаток секторной записи — невозможность
эффективного использования сектора, если длина поля данных
отличается от длины записи пользователя. Поэтому секторную запись
наиболее часто используют в ВЗУ на гибких дисках, где основным
требованием является простота реализации схем.
В наиболее распространенном формате при использовании
способа ЧМ длины информационных полей и промежутков следу¬
ющие:
G1 — 20 байт (8х 16 единиц и 8x4 нулей);
ID — 5 байт ( 1 байт адресного маркера, 1 байт адреса дорожки, 1 байт номера
сектора, 2 байта циклического контроля);
G2 — 10 байт (8x6 единиц и 8x4 нулей);
R — 131 байт (1 байт маркера данных, 128 байт данные и 2 байта циклического
контроля);
G3 — 21 байт (8x17 единиц и 8x4 нулей).
Для этого формата при полном заполнении полей данных, т.е.
при совпадении длины записей пользователя с длиной полей данных
секторов, данные могут занимать до 75% длины сектора; остальные
25% используются для служебной информации, которая необходима
для управления процессами поиска, записи, считывания, а также
Для контроля и повышения достоверности считываемой информации.
Конкретные форматы полей и промежутков определяются стандартами
ISO 5654 (при использовании ЧМ) и 7065 (при использовании МФМ).
Отмеченный недостаток секторной записи привел к тому, что
Для ВЗУ со сменными пакетами или модулями основным способом
организации информации является форматная запись. При этом
Длины полей данных могут быть переменными, а сведения о форматах
записываются на носителе одновременно с записью данных. Рас¬
смотрим один из вариантов форматной организации информации
(рис.8.15).
Сигнал с детектора индексного маркера отмечает начало всех
Дорожек пакета. На каждой дорожке расположены блоки трех типов:
283
Индексный
маркер
з
Сектор 1
1ЕГ
Сектор 2
S \ \ 44 ^
(Ам\ с I S \CRC \ \вм I R 1£/?Л
Рис. 8.14
блок собственного адреса (НА), блок описателя дорожки (TD) и
блоки данных (BL). Все блоки разделены между собой межблочными
промежутками (G); блок НА отделен от индексного маркера
начальным промежутком (G1). Промежуток представляет собой
служебную последовательность символов SYN строго определенной
длины, которая служит для настройки схем синхронизации на первую
цифровую позицию каждого следующего блока и является границей
блока. Блок собственного адреса НА имеет фиксированный формат,
обычно он включает в себя байт указателей состояния и режима
использования дорожки F, два байта адреса цилиндра С и два байта
номера поверхности Н пакета, а также строго фиксированное число
байт символов контроля CRC. Наличие блока собственного адреса
позволяет осуществлять проверку правильности завершения операции
поиска дорожки. Кроме того, указатели в поле F этого блока
определяют, может ли быть использована данная дорожка. Все
дорожки на каждой поверхности делятся на основные и запасные.
Так, например, в пакете дисков ЕС 5261 емкостью 29 Мбайт общее
число дорожек на каждой рабочей поверхности составляет 203, из
которых 200 являются основными, а 3 — запасными. Если на дорожке
не обеспечиваются надежная запись и воспроизведение информации,
то дорожка считается дефектной и помечается указателем дефектной
дорожки.
Форматы остальных блоков дорожки могут быть переменными
и определяются управляющей информацией, размещаемой в подблоке
счетчика. Помимо подблока счетчика в каждый блок входят подблок
ключа KL и подблок данных D. Подблоки внутри блока разделены
внутриблочными промежутками, в которых записываются служебные
последовательности для синхронизации работы схем при воспроизве¬
дении. Подблок счетчика каждого блока имеет фиксированный формат
и содержит указатели F, байты адреса блока С, Н и В, байт длины
подблока ключа LKL, два байта длины подблока данных LD и байты
символов контроля CRC. Блок описателя дорожки не содержит
подблока ключа, поэтому в подблоке счетчика в поле длины ключа
находятся «0». В поле F повторяются указатели состояния дорожки
из поля F блока НА. В случае, если дорожка является основной и
исправной, то в полях адреса цилиндра С и поверхности Н во всех
284
Индексный маркер
к?51 52 53 53
т на ря тв щ ви ш=геэ
/ >ч
(f I С I Н I СЯС\
\FlC\H \B\LKL\IB ШсЫЩ XL ШсШ'Л D ШС
Подблок счетчика
ключа
/Подблок
данных
Рис. 8.15
блоках (TD и BL) повторяется собственный адрес дорожки. Если
дорожка является основной, но дефектной, то в поле адреса блока
описания дорожки указывается адрес запасной дорожки, которая
должна использоваться вместо основной.
На запасной дорожке в блоке НА указывается собственный адрес
запасной дорожки, а в адресный полях С и Н остальных блоков —
адрес основной дорожки, вместо которой используется данная
запасная. Длина и содержание поля данных блока TD зависят от
используемых системных программ управления вводом-выводом. В
частности, подблок данных описателя дорожки TD может содержать
номер последнего занятого блока на данной дорожке, длину
свободного участка на дорожке (в байтах) и т.д. Во время операции
записи содержимое этих байт обновляется, отражая текущее состояние
дорожки.
Собственно данные располагаются в блоках данных BL, при этом
длины подблока ключа KL и подблока данных В определяются в
подблоке счетчика для каждого блока BL индивидуально. Рас¬
сматриваемая логическая организация информации обеспечивает
возможность использования пакетов с несколькими дефектными
дорожками, позволяет достаточно эффективно использовать поверх¬
ность носителя для запоминания логических записей различных длин,
обеспечивает высокую достоверность за счет циклического контроля,
в также предоставляет возможность для организации поиска по
адресу, ключу и данным. Описанная организация информации в
различных НМД отличается структурой и длиной служебных
синхронизирующих последовательностей, числом байт для символов
контроля, отсутствием подблока ключа (и, соответственно, его
описания в подблоке счетчика), а также наличием некоторых
Дополнительных управляющих полей.
Форматирование. Для организации прямого доступа в режиме
записи, т.е. для того, чтобы иметь возможность писать данные в
285
произвольный сектор или блок, необходимо предварительно осу¬
ществить «разметку» каждой дорожки, отметив на ней начала всех
блоков и полей. Такая разметка назвается форматированием. При
форматировании происходит создание и запись фиктивных блоков,
длина и формат которых точно соответствует длине и формату
реальных блоков, создаваемых и записываемых на носителе в
процессе выполнения программ пользователя. Фиктивные блоки при
форматировании записываются на носитель последовательно. Каждый
фиктивный блок в подблоке счетчика содержит собственный адрес,
длину ключа и данных аналогично реальному блоку; в подблоке
ключа поле KL заполняется единицами; это указывает на то, что
блок фиктивный; поле D подблока данных заполняется кодами
символа NUL (пусто), число которых соответствует длине данных
реального блока. Таким образом, после окончания форматирования
все дорожки оказываются разбитыми на фиктивные блоки, отличие
которых от реальных состоит в том, что поля ключа содержат
единицы, а поля данных — коды NUL. При форматной записи в
процессе форматирования записывается только блок собственного
адреса на каждой дорожке, однако при этом заполнение дорожки
записями может быть только последовательным.
Для выполнения форматирования необходимо вначале произвести
расчет длины блока и числа блоков на дорожке. Основными
исходными данными для так сто расчета являются расчетная емкость
дорожки и стандарт на форматы полей.
Расчетная емкость дорожки 1о определяет максимально до¬
пустимое число отпечатков на дорожке. Чтобы учесть возможные
колебания скорости носителя и непостоянство тактовой частоты
синхронизации Fch при записи, кольцевая дорожка с емкостью I
заполняется неполностью, т.е. h = К /, где ^=(0,9-0,95) — ко¬
эффициент допустимого заполнения дорожки, определяющий долю
неиспользуемого сектора.
Расстояние между смежными отпечатками, т.е. величина,
обратная продольной плотности записи <5/ , находится из условий
равномерного движения носителя VH:
1/(5/ = VxT^ = VH/Fm ,
где Тси — период между импульсами синхронизации при записи.
Если диск совершает один полный оборот за время Тном, то
число отпечатков на дорожке / определяется как I = FCUTHQM, тогда
1о = К Fcu Тном = К д' 2nR, (8.7)
где R — радиус текущей дорожки.
В ВЗУ устанавливают одинаковую частоту Fcu для всех (или
группы смежных) цилиндров. Таким образом, расчетная емкость всех
286
^или группы) дорожек одинакова, при этом продольная плотность на
^дружной дорожке меньше, чем на внутренней.
При записи блоками фиксированной длины максимальная длина
блока he определяется из следующего соотношения
Ibf=(h — 1сл)/п, (8.8)
lCJr число байт служебной информации для принятого стандарта
(например, индексного промежутка G1 и описателя дорожки НА,
G2, TD), п — число блоков на дорожке.
В свою очередь, каждый информационный блок, помимо записи
пользователя Л, содержит дополнительную управляющую инфор¬
мацию 1всп, например, подблоки счетчика, ключи KL, промежутки
Gii, Gi2 и Gi3. Таким образом, на каждой дорожке может размещаться
Id = П h = 1о — 1сл — П 1вСП (8.9)
данных пользователя.
Размеры блоков при организации записи блоками переменной
длины определяются аналогично, однако эти расчеты более громоздки,
так как выполняются путем суммирования длин блоков для каждой
дорожки отдельно.
Основные операции. Основными операциями ВЗУ с прямым
доступом является поиск, чтение и запись. На выполнение этих
операций влияют многие факторы — метод доступа, организация
информации на носителе, организация обмена, конструктивные
особенности накопителя и его контроллера. Рассмотрим типовые
последовательности действий при выполнении этих операций.
Поиск в ВЗУ с прямым доступом. Операция поиска
требуемого блока (сектора) информации в ВЗУ с прямым доступом
может выполняться по адресу, ключу или определенным полям
подблоков ключа и данных. Эта операция производится в два этапа:
1) ЦП осуществляет поиск «поисковых признаков» блока и
передает их в контроллер;
2) по поисковым признакам выполняется поиск нужного блока
на носителе ВЗУ.
При необходимости прочитать (записать) некоторую запись R
из ВЗУ в ОП центральный процессор выполняет системную программу
доступа (ПД), которая просматривает специальную справочную
таблицу, устанавливающую соответствие между логическими поиско¬
выми признаками записи и поисковыми признаками, характеризу¬
ющими физическое расположение блока на носителе. Структура такой
таблицы определяется логической организацией метода доступа,
например, в качестве логического поискового признака записи может
использоваться ее имя, а в качестве физического поискового признака
блока на носителе — полный (цилиндр+дорожка-К5лок) или частичный
(цилиндр или цилиндр+дорожка) адрес блока. Подобная системная
287
таблица ведется для каждого файла и называется каталогом.
Поскольку каталог содержит только поисковые признаки блоков, то
его объем сравнительно невелик, а реализуемый средствами ЦП поиск
этих признаков не требует больших затрат времени.
Поиск нужного блока информации выполняется непосредственно
в ВЗУ, причем за два подэтапа — поиск цилиндра (иногда и
дорожки), поиск блока на цилиндре (или дорожке).
При поиске по адресу в контроллер ВЗУ из ЦП посредством
КВВ или программы-драйвера передается номер цилиндра С, который
направляется в качестве приказа в цифровую систему позицио¬
нирования головок. Для передачи номера цилиндра в ЕС ЭВМ
используется КСК с кодом операции «установить»; в СМ ЭВМ
предусматривается специальный адресуемый регистр в контроллере
ВЗУ — регистр адреса цилиндра. После завершения позиционирования
и получения подтверждения об этом в контроллер могут быть
переданы следующие поисковые признаки, т.е. номер дорожки Н и
блока на дорожке BL. В ЕС ЭВМ для передачи этих признаков
используют КСК с кодом операции «поиск И», а в СМ ЭВМ —
команду пересылки данных, по которой производится загрузка
адресуемого регистра, контроллера ВЗУ — регистра адреса блока (или
сектора). Получив адрес блока H-BL, контроллер детектирует
индексный маркер, считывает содержимое подблока счетчика и
сравнивает его с полученным от машины значением H-BL. Процесс
считывания содержимого подблока счетчика выполняется последова¬
тельно для каждого блока в пределах одной дорожки (т.е. при
фиксированных значениях С и Н) или одного цилиндра (при
фиксированном значении С). Блок считается найденным, если
содержимое его подблока счетчика совпало с заданным значением
адреса поиска BL. Контроллер сообщает системе о завершении поиска,
после чего в него должна быть передана управляющая информация
для операций чтения или записи блока. Управляющая информация
должна быть получена контроллером за время прохождения под
магнитной или оптической головкой промежутка Gil (рис.8.15),
разделяющего подблоки счетчика и данных на носителе.
В некоторых системах, например, ЕС ЭВМ, адрес H-BL
передается из ОП в контроллер всякий раз, когда производится
идентификация блока. Тогда, если адрес первого блока на носителе
не совпал с адресом поиска, контроллер передает в КВВ байт
состояния, признак модификатора которого указывает на отсутствие
совпадения. КВВ выполняет следующее по порядку КСК «переход в
канале»; это КСК возвращает управление предыдущей команде
поиска. (Пример такой организации приведен в гл.З для поиска по
ключу). При обнаружении совпадения адреса блока на носителе с
адресом поиска модификатор указывает на успешное завершение
поиска, и управление в КВВ передается cneflvionjeMy по порядку
288
j(fcK, кодом операции которого может быть «читать» или «писать»,
гця увеличения времени на загрузку управляющей информации в
контроллер иногда предусматривается поиск блока, предшествующего
тойу> в который должна быть произведена запись или откуда должно
быть произведено считывание информации. Тогда при выполнении
первого этапа поиска по каталогу в ОП найденный в нем адрес
поиска должен быть уменьшен на единицу. Поиск по адресу
характерен для секторной записи.
При поиске по ключу после установки головок на заданный
цилиндр и получения сигнала индексного маркера производится
последовательное сравнение содержимого полей ключа блоков со
значением ключа, переданного в контроллер из центральной части
машины. В ЕС ЭВМ в адресном поле КСК (с кодом операции поиска
по ключу «поиск К») указывается начальный адрес области основной
памяти, где хранится ключ. Длина ключа определяется содержимым
поля счетчика КСК «поиск К». Ключ может быть произвольной
длины, поэтому он передается в контроллер последовательно
побайтно, а программа КВВ использует циклы.
При поиске по ключу можно реализовать следующие условия
завершения поиска: «равно», «больше» или «не меньше». Блок
считается найденным, если содержимое его подблока ключа при
сравнении с заданным ключом удовлетворяет условию завершения
поиска. В ЕС ЭВМ условие завершения поиска задается разрядами
модификации кода операции в КСК. Поиск по ключу может
производиться на дорожке или цилиндре. В случае поиска на дорожке,
если совпадение ключей не обнаружено до поступления второго
сигнала от индексного маркера (диск сделал полный оборот),
контроллер формирует сигнал о завершении операции поиска и
соответствующий байт состояния. При поиске на цилиндре сигнал
индексного маркера используется контроллером для увеличения
содержимого регистра номера головки Н, т.е. для повторения поиска
на следующей дорожке цилиндра. Если в формате записи на каждой
дорожке предусматривается блок описателя дорйжки (TD), то в
программе поиска по ключу необходимо начинать сравнение полей
с первого блока данных. При этом блок TD может быть прочитан,
а его содержимое может служить для проверки правильности
Установки головок на заданный цилиндр и анализа состояния
Дорожки.
Поиск по ключу и данным осуществляется аналогично, однако
вначале задаются поля, по которым будет производиться поиск,
остальные поля маскируются. Все действия осуществляются также
под управлением канальной программы или программы драйвера.
Время поиска блока информации на дорожке (цилиндре) —
величина случайная и может изменяться от 0 до Т, где Т — период
оборота шпинделя. При многократных .обращениях время поиска
289
можно считать статистически равномерно распределенным с мате¬
матическим ожиданием Т/2; это время и принимают за среднее
время ожидания.
Операция чтения выполняется после успешного завер¬
шения операции поиска. При чтении содержимое блока (сектора)
переписывается в область ОП, адреса которой формируются аппа¬
ратными средствами КВВ или контроллера ПДП. Чтение данных
производится для текущего или следующего за идентифицированным
блока. Предусматривается возможность считывания не только данных,
но и содержимого подблоков ключа и счетчика, которое используется
системными программами для определения состояния носителя и
выполнения различных функций управления. В процессе операции
чтения образуются байты циклического контроля CRC, которые
сравниваются с байтами контроля, записанными в каждой области
при предшествующей операции записи. Несовпадение значений CRC
означает наличие ошибки и операция прекращается. Система в
некоторых случаях может попытаться исправить ошибку путем
повторения операции чтения. При операции чтения может возникнуть
состояние перегрузки КВВ или контроллера ПДП, когда они не
успевают передавать данные со скоростью считывания их в ВЗУ.
При обнаружении перегрузки операция прекращается немедленно;
ликвидировать состояние перегрузки удается отключением других
абонентов ОП, т.е. ЦП или КВВ, не участвующих в данной операции.
Операция записи выполняется также после успешного
завершения поиска и служит для передачи данных из ОП и
регистрации их на носителе ВЗУ.
Операции записи можно разделить на две группы:
1) для инициирования дорожек и блоков, т.е. для предваритель¬
ной разметки дорожек и подготовки их к заполнению записями. К
этой группе относятся запись адреса дорожки, запись описателя
дорожки, запись счетчиков ключей и данных для создания адресного
маркера, разметка областей счетчика, ключа и данных;
2) для заполнения ранее сформатированных полей дорожки
данными. К этой группе относятся операции записи данных и ключа.
В процессе операции записи данных при частичном заполнении
поля данных в свободную часть поля записываются нули; если объем
подлежащих записи данных превышает размер соответствующего
поля, то формируется сигнал ошибки. В процессе записи для каждого
подблока вычисляются значения байтов циклического контроля CRC,
которые записываются на носитель.
Современные ВЗУ на магнитных и оптических дисках имеют
развитую систему приказов. Так, для управления ВЗУ с прямым
доступом в ЕС ЭВМ предусматриваетя до 40 различных кодов
операций в системе команд КВВ. Для управления операциями в ВЗУ
мини- и микроЭВМ в контроллерах предусматриваются несколько
290
многорежимных регистров, назначение которых определяется со¬
держимым определенных разрядов регистров команд и состояния. На
рис.8,16 приведен алгоритм, отражающий последовательность
действий при поиске и чтении содержимого сектора в НГМД.
Основными действиями в контроллере НГМД являются следу¬
ющие: получение поисковых признаков из ОП, проверка их на
допустимость, последовательное обновление содержимого счетчика
секторов при поступлении очередного сигнала маркера начала
сектора, сравнение содержимого этого счетчика с заданным поисковым
значением и проверка правильности читаемой с носителя информации
путем сравнения CRC. Все указанные на схеме алгоритма действия
можно выполнить с помощью контроллера, реализованного на основе
микропроцессорного набора; управление этими действиями осущест¬
вляется программами, хранящимися в ПЗУ контроллера.
При выполнении операций возможно возникновение ошибок трех
основных типов:
Ошибки при записи могут быть выявлены путем считывания
записанной информации при следующем обороте диска и сравнения
ее с исходной. При обнаружении несовпадения записанной и
считанной информации выполняется повторная запись. Если при
заранее установленном числе попыток повторной записи не достига¬
ется правильного считывания, то дорожка (или сектор) признаются
дефектными. Номер дефектной дорожки заносится в таблицу
дефектных секторов, используемую системными программами при
определении поисковых признаков. Системная программа не
формирует в качестве поисковых признаков адреса дефектных
дорожек (секторов).
Ошибки при чтении могут быть вызваны двумя причинами —
отказами и сбоями. Если ошибка при чтении вызвана сбоем, то она
автоматически исправляется при повторном чтении. (Наличие ошибки
определяется по несовпадению CRC). Если ошибка при повторных
попытках чтения не устраняется, то это означает, что она вызвана
отказом. Такую ошибку можно исправить при использовании
корректирующих1 кодов, в остальных случаях ошибка неисправима.
Ошибки поиска обнаруживаются при несовпадении заданного
адреса дорожки (сектора) и прочитанного из поля идентификатора
ID после завершения операции поиска в накопителе. Эти ошибки
иногда устраняются при повторной процедуре поиска.
Структурные схемы НМД. Наиболее распространенными в
настоящее время являются накопители со сменными пакетами или
модулями, а также НГМД, в которых для записи-считывания
используется по одной (иногда две) головке на каждой запоминающей
Поверхности. Для обеспечения доступа к нужной дорожке (цилиндру)
золовки механически перемещаются и фиксируются на заданном
Расстоянии от оси вращения дисков. Такие накопители называют
291
Рис. 8.16
двигатель и привод
292
перемещения
накопителями с
подвижными головками;
они обеспечивают возмож¬
ность смены носителя, т.е.
работы с неограниченными
объемами данных.
Накопители, в кото¬
рых используется по одной
головке для каждой до¬
рожки, обеспечивают суще¬
ственный выигрыш во
времени доступа, однако
обладают сложной конст¬
рукцией и обычно не до¬
пускают смены носителя.
Примерами таких накопи¬
телей могут служить на¬
копители на магнитном
барабане и на магнитных
дисках с фиксированными
головками.
Несмотря на значи¬
тельное различие харак¬
теристик и многообразие
конструктивно-технологи¬
ческих решений для всех
накопителей с подвижными
головками характерна
структура, приведенная на
рис.8.17. Основными узла-
ми являются: узел привода
шпинделя, включающий в
себя двигатель с ме¬
ханизмами передачи вра¬
щения (ДвШ), датчик
скорости (ДС) и схемы
поддержания постоянства
скорости (СУпрСк) вра¬
щения; узел
позиционирования головок,
включающий в себя
датчик-преобразователь
перемещения блока головок
в цифровой код (ППК)»
головок (ДвГ) и цифровую
следящую систему (ЦСС); тракт записи-считывания (З/Сч); узел
контроля (К), центрального управления (ЦУ), а также интерфейсный
узел (БСИ).
Узел центрального управления накопителем осуществляет вы¬
деление различных типов промежутков, формирует сигналы
синхронизации, анализирует служебную информацию и организует
поиск по различным поисковым признакам. Узел контроля осущест¬
вляет контроль считываемой информации сравнением символов CRC.
Узел позиционирования головок осуществляет установку (переме¬
щение) головок на заданный цилиндр и устойчивое удержание их в
этом положении. Интерфейсный узел принимает и передает данные
и управляющую информацию в соответствии с требованиями
конкретного интерфейса. На схеме показан также узел блокировок
(Бл), на который поступают сигналы от датчиков, характеризующих
состояние крышек и дверей, скорость двигателя вращения шпинделя,
падение напряжения сети, установку пакета и т.д., и в зависимости
от этих сигналов он запрещает определенные действия в ЦУ.
Например, при открытой крышке запрещено перемещение блока
головок, чтобы предотвратить их возможное повреждение. В некото¬
рых накопителях предусматриваются дополнительные узлы,
например, узел щеток для механической очистки поверхностей
Дисков, компрессор для создания избыточного давления в зоне дисков,
фильтры и т.п.
Узел привода шпинделя обеспечивает вращение дисков с
постоянной скоростью. Для НМД со сменными пакетами вращение
Шпинделя осуществляется обычно от автономного двигателя посред¬
ством ременной передачи. Скорость вращения шпинделя для
Различных НМД составляет 1000-3600 об/мин. В накопителях со
293
сменными модулями используется встроенный в шпиндель двигатель,
что позволяет резко уменьшить размеры устройства, но затрудняет
отвод тепла. Вращение гибкого диска обычно осуществляется от
двигателя с помощью пассика.
Узел позиционирования головок служит для установки головок
на заданный цилиндр и фиксации их в этом положении на время
операций чтения и записи. От характера привода, точности его
изготовления и работы зависит такой важный параметр, как
поперечная плотность записи, а следовательно, и общее число
дорожек на одной поверхности.
При низкой поперечной плотности (до 4 доро¬
жек/мм) используют разомкнутую систему позиционирования и
жесткую фиксацию головок на выбранной дорожке. Перемещение
блока МГ осуществляется посредством линейного электродвигателя.
К линейно перемещаемой катушке двигателя крепится каретка с
блоком магнитных головок и зубчатая защелка, служащая для
фиксации блока МГ. На станине накопителя закреплена зубчатая
рейка, шаг которой соответствует расстоянию между дорожками.
Позиционирование происходит за несколько этапов: освобождение
защелки от рейки, перемещение каретки на заданный цилиндр,
точное позиционирование путем фиксации защелки на рейке.
Фиксация осуществляется с помощью электромагнита.
В НГМД система позиционирования упрощается за счет
применения шагового двигателя, который не только перемещает
головку на нужную дорожку, но и фиксирует ее в этом положении.
ШД связан с блоком головок посредством винтовой передачи. В такой
системе позиционирования скорость перемещения МГ невелика, что
приводит к увеличению времени поиска.
При высокой поперечной плотности (8—18
дорожек/мм и выше) характерной для современных НМД со
сменными пакетами большой (100-300 Мбайт) емкости и со сменными
модулями используют различные варианты замкнутой системы
позиционирования с обратной связью по положению. В таких
системах перемещение головок может быть возвратно-поступательным
вдоль радиуса диска (рис.8.18) либо качательным по дуге окружности,
пересекающей рабочую зону диска так, что радиус диска касается
этой окружности в пределах рабочей зоны. При возвратно-поступа¬
тельном перемещении головок используют линейные двигатели ЛДв»
при качательном движении по дуге — поворотные двигатели.
Для обеспечения обратной связи по положению блока МГ
относительно оси вращения дисков на одной из поверхностей пакета
предварительно записывают специальные служебные дорожки. Сигнал
с этих дорожек, называемых также серводорожкамиу считывается
управляющей МГ. Если сигнал серводорожки равен нулю, то это
соответствует положению, при котором информационные МГ
позиционированы на заданный цилиндр. При смещении блока МГ к
294
Рис. 8.18
оси вращения пакета или от нее в МГ сервоповерхности наводится
ЭДС, фаза которого используется как сигнал отклонения положения
головок от заданного цилиндра в ту или иную сторону.
Позиционирование выполнятся за два этапа: грубое и точное.
Грубое позиционирование (которое, в свою очередь, может выпол¬
няться за несколько подэтапов, различающихся скоростью переме¬
щения каретки) осуществляется по сигналам от устройства
управления (БУ). Исходной управляющей информацией при этом
является разность текущего и заданного адресов цилиндров. По
достижении блоком МГ заданного цилиндра система переходит в
режим точного позиционирования, т.е. удержания блока МГ на
заданном цилиндре. Сигнал «удержания» блока головок поступает от
МГ, установленной на сервоповерхности через усилитель У. Как
отмечалось, каждая информационная дорожка хранит собственный
адрес, что дает возможность реализовать и инфомационную обратную
связь, т.е. сравнить адрес найденного цилиндра с заданным в начале
поиска.
Задаваемый конечный адрес цилиндра Аяк поступает в блок
управления из КВВ, после чего формируется сигнал разрешения
позиционирования. В блоке управления имеется счетчик текущего
адреса цилиндра А^т, содержимое его соответствует адресу цилиндра,
на который установлен блок МГ. При поступлении разрешения
позиционирования разность (A^T — А^к) преобразуется в напряжение
постоянного тока и подается на усилитель следящей системы (УСС),
сигнал которого через усилитель мощности (УМ) управляет двига¬
телем перемещения каретки. При переходе через каждую синхродо-
Рожку сигнал с головки синхроповерхнсти используется для
Уменьшения или увеличения на «1» текущего адреса цилиндра. Таким
°бразом, по достижении заданного цилиндра с адресом Аяк разность
становится равной нулю.
295
При высокой поперечной плотности записи чрезвычайно сложно
обеспечить совместимость сменных пакетов и блоков головок,
установленных в различных НМД, так как при этом требуется очень
высокая точность относительного положения головок. Во многих
случаях добиться такой точности путем регулировки или невозможно,
или экономически невыгодно. Поэтому созданы накопители со
сменными магнитными модулями (НММ), которые часто называют
винчестерскими. Каждый модуль помимо пакета дисков содержит
индивидуальный блок МГ, а также индивидуальные блоки привода
МГ и шпинделя; это позволяет резко снизить требования к
регулировке положения МГ относительно оси шпинделя и существенно
повысить поперечную плотность записи. Совместимость сменных
модулей обеспечивается на уровне электрических сигналов. Разме¬
щение в одном модуле пакета дисков, блоков головок, привода головок
и шпинделя позволило выполнить такой модуль герметичным.
Сменные модули не требуют обслуживания со стороны пользователя.
Этим объясняется их широкое распространение, особенно в ПЭВМ.
Узел головок. В НМД со смеными пакетами применяют так
называемую бесконтактную запись, при которой МГ записи/считы¬
вания не касается поверхности магнитного покрытия. Для устойчивой
работы схем записи-считывания необходимо обеспечить постоянство
магнитной отдачи МГ, которая, в свою очередь, определяется
расстоянием между головкой и носителем. Для увеличения амплитуды
полезного сигнала и уменьшения помех это расстояние должно быть
весьма малым. В современных НМД оно составляет несколько
микрометров. Обеспечить такое малое расстояние между МГ и
носителем можно только с помощью «плавающих» головок. МГ
помещается в корпус, выполняющий функции аэродинамического
крыла. Корпус головки устанавливается в подвесе, представляющем
собой плоскую пружину. При работе НМД пружина подвеса
прижимает головку к поверхности носителя с усилием Fnp\ однако
из-за вращения создается аэродинамическая подъемная сила Л,
отталкивающая головку от поверхности.
При постоянной скорости вращения дисков сила Fx убывает с
увеличением расстояния d между головкой и носителем, а сила
прижатия пружины остается постоянной, поэтому МГ «авто-
матически» устанавливается в точке равновесия, т.е. на постоянном
расстоянии d от поверхности диска. Поскольку это расстояние сильно
зависит от скорости вращения дисков, то во избежание повреждении
МГ и поверхности в НМД предусматриваются меры блокировки,
которые позволяют удалить МГ из рабочей зоны при снижении
скорости вращения ниже установленного предела. В винчестерских
накопителях со сменными модулями на магнитный запоминающий
слой нанесен дополнительный графитовый или силиконовый слои
«твердой» смазки, по которому скользит МГ. Возможность скольжения
296
Рис. 8.19
головок обеспечивается не только слоем смазки, но и полной
герметичностью модуля. В свою очередь, это приводит к уменьшению
расстояния МГ от запоминающего слоя и повышению продольной
плотности записи.
В НГМД применяется контактная запись, при которой МГ
касается поверхности носителя. Возможность контактной записи
объясняется сущестсвенно меньшей скоростью вращения гибкого диска
(ЗОО-бООоб/мин), меньшим радиусом, а также эластичным харакы
ром основы диска. Гибкий диск располагается в специальна i
неразъемном конверте (рис.8.19,а), в котором предусмотрены ci
циальные отверстия для соединения диска со шпинделем 7, мет и
индексного маркера 2, перемещения головок записи-чтения с
поверхности диска 3 и защиты записи 4. Все размеры диска •:
конверта стандартизуются. Сейчас наиболее распространены ГМ
диаметром 198 мм (7 3/4^), 133 мм (5 1/4^) и 89 мм (3 1/2^')*
соответственно М=204, 140 и 95 мм при толщине конверта 1,6 м..
и диска — 0,12 мм. На рис.8.19,6 показана схема привода ГМД и
перемещения головок, позиционирование которых выполняется как
указывалось выше, посредством ШД и винтовой передачи (ВП).
В табл.8.4 приведены примеры характеристик современных
накопителей со сменными пакетами (МД), со сменными модулями
(ММ) и на гибких магнитных дисках (ГМД). Скорость вращения
Дисков в НМД и НММ составляет обычно 3600 об/мин, поэтому
среднее время ожидания — 8,3 мс.
На базе отдельных накопителей создаются системы внешней
памяти, в состав которых входят групповые устройства управ-
пения,контроллеры и собственно дисководы.
Типовым примером внешней памяти для ЭВМ общего назначения
Может служить система, включающая в себя устройство управления
ЕС5565, к которомуподключаются до 4 управляющих модулей-кок
297
Таблица 8. 4
Модель
Емкость
(Мбайт)
Время до¬
ступа сред,
(мин,мак),
мс
Скорость
обмена,
Кбайт/с
Способ
записи
Плотность
продольн/
поперечн.
Диаметр
диска/
число, цил
ЕС5066
МД 100
30 (10,55)
806
МФМ
160/8
356/411
ЕС5067
МД 200
30 (10,55)
806
МФМ
160/16
356/815
ЕС5063
ММ 317
23 (8,40)
1200
МФМ
240/18
356/560
ЕС5065
ММ 635
17 (8,30)
1200
МФМ
250/37
356/1120
ЕС5059
ММ 1200
20
3000
ГК 2,7
600/31
356/886
СМ5407
МД 29
50
312
чм
90/4
356/203
СМ5414
МД 100
40
806
МФМ
160/8
356/411
ЕС5316
ММ 300
24
1230
—
450/32
200/1120
СМ5510
ММ 160
30 (10,50)
1230
МФМ
338/27
200/823
ЕС5312
ММ 51
40 (*)
625
чм
401/37
130/
СМ5601
ГМД 3,2
Ю(*)
250
чм
80/1,5
130/
СМ5624
ГМД 1,6
5(*)
250
чм
40/1,5
130/
(*) Для НГМД указано время перехода с дорожки на дорожку.
троллеров ЕС5665 (5663 или 5667). В свою очередь, к каждому из
них может быть подключено до 8 накопителей ЕС5065 (5063 или
5067).
8.4. Внешние запоминающие устройства с последовательным доступом
К ВЗУ с последовательным доступом относятся накопители на
магнитных лентах различных типов. В таких накопителях применяют
последовательное или последовательно-параллельное размещение ин¬
формации, в них орагнизуется старт-стопный или непрерывный
режим перемещения MJI, используются различные способы записи.
Все это существенно влияет на логическую организацию информации
на носителе. Кроме того, организация информации на МЛ должна
обеспечивать возможность обмена информацией между различными
ВС. Для этого вводится стандарт на геометрические и физические
характеристики ленты, а также на организацию информации на ней.
Логическая организация информации на МЛ. Рассмотрим
представление информации на МЛ для ВЗУ с последовательно-парал-
лельным размещением информации и стар'г-стопным перемещением
ленты. В таких ВЗУ используют МЛ шириной от 3,8 до 25,4 мм и
многодорожечную запись с помощью нескольких головок записи"
считывания. Стандартом Международной организации по стан-
298
Рис. 8.20
дартизации для ленты шириной 12,7 мм определяется девятидоро¬
жечная запись с использованием способа БВН-1 при продольной
плотности 8 или 32 бит/мм; способа ФМ при плотности 63 бит/мм
или способа ГК при плотности записи 246 бит/мм. Информация на
MJI размещается блоками, длина которых также регламентируется.
Так, при плотностях записи в 32 и 63 бит/мм длина блока должна
составлять от 18 до 2048 байт, а при плотности 246 бит/мм не
менее 8000 байт. Блоки разделяются межблочными промежутками,
размер которых определяется динамическими характеристиками
лентопротяжных механизмов. Межблочные промежутки используются
не только для разделения блоков, но и для разгона и останова ленты
без потерь информации, поэтому в отличие от магнитных дисков
межблочные промежутки на магнитных лентах не содержат служеб¬
ной информации. Размеры межблочных промежутков стандартизуются
и для ВЗУ, работающих с плотностями 32 и 63 бит/мм, размер
промежутка составляет 15,2 мм.
На рис.8.20 приведено стандартное расположение информации
на девятидорожечной MJI шириной 12,7 мм при записи способом
БВН-1 (32 бит/мм). Края ленты отмечаются специальными марке¬
рами начала ВОТ и конца EOT, которые используются схемами
управления лентопротяжного механизма для ограничения переме¬
щения ленты. Обычно маркеры выполняются в виде наклеенных
полосок фольги, которые отражают свет на специальный маркерный
фотодетектор.
Блоки информации размещаются на MJI после начального
промежутка G1. Каждый блок состоит из нескольких байт (строк),
размещаемых перпендикулярно базовому краю ленты. Таким образом,
Посредством девяти МГ весь байт можно записать или прочитать
Одновременно. Каждая из дорожек, параллельных базовому краю
Ленты, содержит одноименные разряды всех байтов блока. Одна из
Дорожек содержит контрольные разряды. Если контроль осуществля¬
йся по нечетности, то в каждой строке имеется хотя бы одна
299
единица, т.е. хотя бы один отпечаток-переход при записи способом
БВН-1.
Шаг между соседними строками определяется продольной
плотностью записи и составляет 0,0125 мм. После завершения записи
содержательной информации блока с промежутком в 4 шага
записывается строка циклического контроля (СЦК), а затем еще
после одного промежутка в 4 шага — строка продольного контроля
СПК. Разряды символа продольного контроля образуются путем
сложения по модулю 2 всех информационных разрядов на одной
дорожке в пределах блока, т.е. с учетом СПК число единиц на
каждой дорожке в блоке должно быть четным. Совокупность
поперечного (контроль по нечетности каждого байта строки) и
продольного контроля часто называют матричным контролем; он
позволяет выявить любые ошибки, кроме возникших во всех четырех
вершинах любого прямоугольника, стороны которого параллельны
дорожкам и строкам ленты. Таким образом, предусматриваются
достаточно мощные средства контроля записанной информации,
позволяющие выявлять и исправлять при считывании одиночные и
некоторые групповые ошибки; значительно повышается достоверность
хранения информации.
Достоверность возрастает уменьшением длины блока, но при этом увеличивается число
промежутков и сокращается объем хранимой информации.
Способ записи посредством ФМ позволяет организовать не¬
зависимое считывание по каждой дорожке за счет самосинхронизации.
Для использования возможностей самосинхронизации каждый блок
начинается со служебной последовательности символов. [40 байт во
всех разрядах содержат «0», а один последний — «1». ] Этот символ,
по существу, и отмечает начало записи. Заканчивается блок также
служебной последовательностью символов, но расположенных в
обратном порядке. Стандарт не предусматривает записи СЦК при
плотности 63 бит/мм и использовании способа ФМ.
Все блоки на MJI подразделяются на два вида: метки и блоки
данных. С помощью меток, т.е. блоков служебной информации,
удается объединить блоки данных в файлы, проверить правильность
выполнения операции поиска и т.п. Современные НМЛ используют
различные средства для хранения ленты: катушки, картриджи
(патроны), компакт-кассеты. Объем информации, доступной за одну
установку носителя, называется томом. Том соответствует, например,
одной катушке. Каждый том начинается с блока-метки «начало тома»-
Следующим блоком тома является метка начала файла. Часто
используют так называемые ленточные маркеры, представляющие
собой специальные короткие блоки, обрабатываемые стандартными
операционными средствами. Они содержат имя файла, номер тома,
имя владельца и т.п. Могут применяться и другие метки, создаваемые
пользователем, но их обработка должна осуществляться прикладными
зоо
Программами. Затем располагаются блоки данных. Последним блоком
файла являются блок-метка конца файла, которая содержит инфор¬
мацию, аналогичную метке начала файла; это обеспечивает возмож¬
ность находить и считывать файл при движении MJI в обратном
направлении.
Если MJI предполагается использовать для резервного хранения
информации, которая обычно размещается в ВЗУ с прямым доступом,
то организация информации на ленте должна обеспечивать особенно
высокую логическую плотность и возможность автономной записи на
MJI и восстановления информации в том виде, в котором она
представлена на диске. Удовлетворение этого требования встречает
серьезные затруднения, вызванные различием способов доступа,
объемов хранимой информации в одном томе, способов защиты
информации на MJI и МД и т.п. Единый стандарт на организацию
информации для этих целей отсутствует.
В настоящее время для резервного архивного хранения инфор¬
мации наиболее перспективной считается организация с «потоковой»
записью, при которой отсутствуют промежутки между блоками,
предназначенными для останова и разгона MJI. Отсутствие необ¬
ходимости останавливать MJI в промежутках между блоками
позволило значительно уменьшить эти промежутки (здесь они
используются только для разделения блоков), увеличив объем
хранимой информации, повысить скорость движения ленты и
соответственно скорость передачи данных (до 750 Кбайт/с). При
потоковой организации запись-считывание ведутся последовательно
по одной дорожке, хотя на ленте может быть несколько дорожек.
После заполнения одной дорожки производится переключение головки
записи-воспроизведения, изменение направления перемещения MJI и
запись далее продолжается на следующей дорожке, поэтому такую
организацию иногда называют серпантинной, или змейкой.
Для организации потоковой записи необходимо, чтобы поток
записываемой информации был непрерывным. Обычно для этого
предусматривают буферное ЗУ, позволяющее вместить несколько
блоков. Однако, если такое БЗУ в процессе записи окажется пустым,
потоковый режим будет нарушен. Восстанавливается этот режим
следующим образом. Контроллер НМЛ фиксирует пустое состояние
ВЗУ; в этом случае, если запись блока не была завершена,
врабатывается сигнал на останов и осуществляется реверс ленто¬
протяжного механизма. При движении ленты в обратном направлении
вьщеляется первый сигнал начала блока, соответствующий началу
'i'oro блока, запись которого не была завершена. Этот сигнал служит
в качестве сигнала останова и повторного реверса ленты. Из-за
Инерционности лентопротяжного механизма останов ленты произойдет
Ин предшествующем полностью записанном блоке; при повторном
Реверсе вновь выделяется сигнал начала блока, который по-прежнему
301
соответствует блоку, запись которого не была завершена. Теперь этот
сигнал используется для повторения операции записи, причем
поскольку за время двойного реверсирования MJI блок вероятнее
всего был загружен в буфер, запись блока завершится успешно.
Основные операции. Наборы операций для ВЗУ с последова¬
тельным и прямым доступом мало отличаются друг от друга, однако
выполнение этих операций различается существенно.
Поиск в ВЗУ с последовательным доступом. Для поиска
информации в НМЛ необходимо последовательно читать все блоки
информации. При этом требуемый блок идентифицируется по номеру
или содержимому блока-метки. Для ускорения поиска предусматрива¬
ются операции перемещения носителя на блок и файл вперед и
назад. Кроме того, предусматриваются операции по перемотке ленты.
В процессе этих операций информация между ВЗУ и ОП не
передается. Основными операциями ВЗУ с последовательным доступом
являются чтение, запись и чтение в обратном направлении. В
процессе операции чтения МЛ перемещается в прямом направлении
до следующего межблочного промежутка, а считываемая при этом
информация в режиме ПДП передается в ОП. Операция чтения в
обратном направлении выполняется аналогично операции чтения, но
движение ленты производится в противоположном направлении, при
этом последовательно считываемые с ленты байты размещаются в
ОП в порядке убывания адресов. Операция записи позволяет
записывать на МЛ данные из ОП при перемещении ленты в прямом
направлении. При записи формируются символы продольного и
циклического контроля, которые записываются на носителе. В
процессе чтения также определяются байты контроля, которые
сравниваются с записанными на носителе. Некоторые ошибки, в
частности одиночные, могут исправляться либо автоматически, либо
при повторном считывании блока. При этом особенно полезна
операция перемещения ленты на один блок вперед или назад. Во
многих ВЗУ на магнитной ленте предусматривается возможность
создания большого промежутка длиной около 9 см. Такой промежуток
создается в тех случаях, когда многократные попытки записать блок
на данном участке носителя оказались безуспешными; этим удается
исключать дефектные участки носителя. Помимо указанных операций
в НМЛ выполняются операции стирания, записи различных меток,
чтения с исправлением и.т.п.
Структура НМЛ. Рассмотрим кратко работу традиционных
НМЛ в старт-стопном режиме. Основными задачами таких НМЛ
являются обеспечение хранения больших объемов информации при
минимальной стоимости; при этом должны обеспечиваться приемле¬
мые характеристики быстродействия и высокая достоверность. Лента
располагается на катушках (бобинах) или в кассетах. Стандартная
катушка имеет диаметр 267 мм и позволяет размеск 743 м ленты
302
^иршюй 12,7 мм. Используются также катушки 216 и 178 мм.
Привод МЛ обычно осуществляется с помощью специального
приводного ролика, который иногда называют тон-валом. Значительно
реже используется перемещение МЛ путем перемотки с бобины на
бобину, так как оно не обеспечивает необходимого постоянства
скорости МЛ. На рис.8.21 показана схема НМЛ, в которой
перемещение МЛ обеспечивается приводным роликом (тон-валом),
покрытым материалом с высоким коэффициентом трения. Ролик
выполнен в виде полого цилиндра и приводится в движение
двигателем с полым ротором. Этим обеспечивается уменьшение
времени разгона и останова. Вакуумные карманы (ВК) служат в
качестве буферных хранилищ ленты и обеспечивают сохранность МЛ
при разгонах и остановах. Вдоль вакуумных карманов расположены
фотодатчики (ФД), отмечающие положение петли в кармане.
В момент начала разгона (останова) МЛ из-за большой
инерционности бобин длина петли в вакуумном кармане со стороны
подающей бобины уменьшается (увеличивается), а в кармане со
стороны приемной бобины — увеличивается (уменьшается). Таким
образом, при разгоне изменяется число освещенных фотодатчиков в
карманах со стороны подающей бобины их число увеличивается, а
со стороны приемной — уменьшается; обратный процесс происходит
при останове МЛ. Сигналы с фотодатчиков подаются в схемы
управления двигателями привода бобин, ускоряя или замедляя их
вращение так, чтобы при постоянной скорости перемещения МЛ
длина петель в вакуумных карманах поддерживалась заданной
величины. Эта длина должна быть согласована с динамическими
характеристиками следящих систем привода бобин (СПБ). За время
разгона лента не должна полностью выйти из кармана и касаться
дна.
Разрежение воздуха, создаваемое в карманах посредством
компрессора, обеспечивает постоянное натяжение МЛ и прижатие ее
к ведущему ролику. Такая конструкция НМЛ обеспечивает скорость
Движения ленты до 5 м/с. В миниЭВМ иногда вместо вакуумных
карманов для предотвращения разрывов и вытягивания МЛ исполь¬
зуют натяжные рычаги, закрепленные на корпусе накопителя
посредством пружины. Положение рычага, а следовательно, и
величина отрезка ленты между двумя стационарными роликами
°пределяются с помощью датчиков, сигналы которых используются
следящими системами привода бобин. Рычажная конструкция занима¬
ет существенно меньше места, но обеспечивает возможность работы
пРи скоростях движения МЛ не свыше 1—1,5 м/с.
В НМЛ с шириной МЛ 12,7 обычно используется многодоро¬
жечная запись с числом дорожек 9 или 18. В блоке МГ для каждой
дрожки предусматривается по 2 МГ — для записи и чтения. Таким
°®разом, записанная информация посредством МГ записи с некоторой
зоз
СПБ
ФД
И
\W II и
Jiil Jw
и
w
Рис. 8.21
задержкой прочитывается головкой
считывания. В таких НМЛ стандарт¬
ными являются плотности в 32, 64 ц
246 бит/мм; для записи используют
способы ФК, МФМ, ГК.
В последнее время для микроЭВМ
различных назначений и НМЛ с пото¬
ковым режимом записи все чаще
используют МЛ шириной 6,3 мм (иног¬
да 3,81 мм) в кассетах различных
конструкций. На рис.8.22,а и б приве¬
дены схемы привода кассетной МЛ для
двух типов кассет. Для первого типа
перемещение МЛ обеспечивается одним
из двух приводных валов (В), враща¬
ющихся в разные стороны. Прижатие
МЛ к приводному валу осуществляется
посредством одного из прижимных
роликов (ПР). Схема управления
движением должна обеспечить такое
срабатывание электромагнитов прижатия роликов, при котором оба
ролика не могут одновременно прижиматься к приводным валам.
Привод бобин внутри кассеты осуществляется либо от двигателя
приводного вала посредством фрикционных механизмов, либо от
отдельных двигателей. Для обнаружения меток начала и конца ленты
используют датчики Д, а постоянство скорости обеспечивается
регулированием скорости вращения двигателя по сигналам с тахо¬
метров Т. Более распространенным является кассета, показанная на
рис.8.22,б; ее иногда называют картриджем. Картридж имеет
стандартные размеры 100x125x25 мм. Движение МЛ обеспечивается
специальным пассиком (П), который прижимается к подающей и
приемной бобинам, а также к внешнему ведущему ролику (В). Такая
конструкция кассеты компактна, дешева и не требует сложных схем
сервопривода бобин. На кассетной МЛ обычно располагают 2, 4 или
8 дорожек, запись осуществляется последовательно. Скорость
движения МЛ обычно не превышает 0,25-0,5 м/с, более высокая
скорость обеспечивается только при перемотке (до 1 м/с).
Последовательный характер расположения информации на МЛ
определяет сравнительно большое время поиска, зависящее от
скорости перемещения МЛ и ее длины; для НМЛ катушечного типа
среднее время доступа составляет 200-400 с, а для НМЛ кассетного
типа 50-200 с (последнее определяется меньшей емкостью кассеты
по сравнению с бобиной). Скорость передачи данных составляет
304
20-500 Кбайт/с. Характеристики некоторых типов НМЛ приведены
в табл.8.5.
Табл и ца 8. 5
Модель
Тип
носителя,
лента
Ширина
ленты,
мм/
число до¬
рожек
Скорость
обмена,
Кбайт/с
Способ
записи
Плот¬
ность
записи,
бит/ мм
Скорость
лент, м/
время
разгона, с
Проме¬
жуток,
мм
ЕС5017
бобина
12,7/9
64
БВНМ
8,32
2/1,5
15,2
ЕС5027
бобина
12,7/9
189
738
ФК
ГК
63
256
3/1,5
15,2
7,6
СМ5306
бобина
12,7/9
64
126
БВНМ
ФК
32
63
2/4,5
15,2
7,6
ЕС5740
картридж
200 Мбайт
12,7/18
1500
ГК
1500
2/
2,0
СМ5315
картридж
45 Мбайт
12,7/9
90
ГК
393
2,286<0,3
*
ПЭВМ
компакт-
кассета
19,5
Мбайт
6,3/4
90
ГК
393
2,286
♦
* Для НМЛ, работающих в потоковом режиме, промежуток между блокам не указан.
Во всех конструкциях НМЛ предусматривается механическая
защита памяти. Если разрешено только считывание данных, а запись
запрещена, то на катушке с МЛ снимается защитное кольцо или на
кассетах удаляется упор, при этом выключатель размыкает цепь
разрешения записи. При необходимости произвести запись кольцо
вставляется в кольцевой паз катушки или устанавливается упор в
кассете.
Многочисленные НМЛ выполнены по различным конструктивным
схемам и обладают различными характеристиками, однако независимо
от конструкции и характеристик НМЛ для управления основными
11 - 836 305
операциями в контроллере предусматриваются следующие блоки: блок
сопряжения с интерфейсом; блок управления движением MJI,
служащий для запуска, реверса, задания скорости движения и
выделения управляющих интервалов; блок записи, включающий в
себя генератор синхросигналов записи, схемы преобразования кодов
(например, схемы фазового или группового кодирования), схемы
формирования разрядов и символов контроля; блок чтения, в состав
которого входят генератор синхросигналов считывания, схемы преоб¬
разования кодов, схему обнаружения и исправления ошибок, схему
выделения начала блоков, а также схемы компенсации перекоса.
Кроме упомянутых блоков, в НМЛ располагают усилители
записи-воспроизведения и детектирования сигналов. Для некоторых
моделей НМЛ предусматриваются и дополнительные блоки, например,
регистр задания плотности и способа записи (если возможна работа
с различными плотностями и способами записи), схема слежения за
состоянием буферных ЗУ в НМЛ, работающих в потоковом режиме
и т.п.
Функции большинства блоков и схем не требуют дополнительных
пояснений. Более подробно рассмотрим синхронизацию при чтении
и при наличии перекоса. Под перекосом будем понимать неодновре-
менность воспроизведения сигналов по различным дорожкам при
условии, что запись их была произведена одновременно. Очевидно,
что перекосы могут быть вызваны механическими причинами
(вытягиванием МЛ, различными отклонениями блока МГ от идеаль¬
ного положения в разных НМЛ), а также электрическими причинами
(различием уровней сигнала и порогов срабатывания в схемах
воспроизведения сигналов от МГ). Для организации синхронизации
при способе БВН-1 используют параллельную запись байта с
контролем по нечетности по нескольким (обычно девяти) дорожкам.
Сигнал синхронизации при считывании СИ формируют как
дизъюнкцию всех информационных сигналов по отдельным дорожкам
(рис.8.23,а). СИ может быть задержан на величину г с тем, чтобы
его передний фронт использовать в качестве строба для инфор¬
мационных сигналов по отдельным дорожкам. Если перекос превы¬
шает допустимый уровень, при котором не обеспечивается перекрытия
сигналов (рис.8.23,б), то синхронизация становится невозможной.
Таким образом, явление перекоса существенно ограничивает до¬
пустимую логическую плотность записи.
Однако при использовании способов записи, обладающих свой¬
ствами самосинхронизации, становится возможным компенсировать
перекосы логическими средствами. Для этого организуют независимые
«каналы» воспроизведения сигналов от каждой МГ. С помощью
усилителей-детекторов У-Д в каждом канале воспроизведения
одновременно формируется два сигнала — информационный ИНФь
позволяющий определить наличие «1» или «О» в данной позиции на
306
дорожке, и синхронизации СИ*, отмечающий каждую позицию на
дорожке. На рис.8.24 приведен пример схемы для компенсации
перекоса. С помощью счетчика Сч и двух селекторов (СЕЛ) сигналы
ИНФ* и СИ* последовательно распределяются по разрядам регистров
подбора РгП* и информационных РгИнф*. Первый сигнал направляется
в первый разряд регистра, второй — во второй и т.д., затем пятый
сигнал вновь направляется в первый разряд, шестой—во второй и
т.д. Заполненнные разряды РгИнф на рисунке заштрихованы, в РгП
поставлены «1». Как только в одноименных разрядах всех регистров
подбора будут содержаться «1» (на рис.8.24 показано положение, при
котором «1» содержат первые разряды всех регистров подбора), с
помощью схемы совпадения формируется сигнал, разрешающий
считывание содержимого одноименных разрядов РгИнф в регистр
символа РгД.
Очевидно, что, поскольку в каждом канале сигналы СИ и ИНФ
формируются одновременно, к этому времени в соответствующих
одноименных (в данном случае — первых) разрядах РгИнф со¬
держится полностью сформированный символ. Его разряды были
прочитаны на одноименных позициях МЛ. После передачи символа
из регистров РгИнф в РгД производится сброс в «О» всех разрядов
соответствующей позиции в регистрах подбора. После этого схема
ожидает завершения подбора в следующей позиции (в данном случае
— второй), т.е. завершения считывания всех разрядов символа из
следующей позиции регистров РгИнф*. Такая компенсация перекоса
позволяет существенно повысить плотность размещения информации
на МЛ при параллельной записи.
Выявление и коррекция ошибок в НМЛ. МЛ
предназначены для долговременного резервного хранения инфор¬
мации, поэтому достоверность является одной из важнейших
характеристик. Ошибки могут вызываться различными причинами,
например, недостаточными уровнями сигналов записи-воспроизве¬
дения, дефектами магнитного покрытия ленты, случайными поме¬
хами.
Ошибки при записи. В НМЛ обычно предусматриваются
раздельные головки записи (ГЗ) и воспроизведения (ГЧт) для каждой
дорожки; эти головки объединены механически в один блок. Однако
по технологическим причинам и вследствие задержек во времени не
представляется возможным записать символ с помощью ГЗ, прочитать
его посредством ГЧт и прочитанный символ сравнить с исходным.
Поэтому при записи используют два вида проверок:
1) эхо-проверка, при которой сигнал, поступающий на ГЗ,
возвращается по линиям обратной передачи в контроллер и подается
на схемы сравнения; таким образом контролируется часть канала
записи от регистра данных до ГЗ;
2) проверка путем контрольного чтения, при которой специаль¬
ными схемами контролируются амплитуда сигналов и символ по
четности-нечетности, выявляются недопустимые перекосы, а также
проверяются внутриблочные промежутки. При контрольном чтении
коды не передаются в ОП, а обрабатываются автономно схемами
контроллера НМЛ; операция контрольного чтения может выполняться
одновременно с операцией записи. При выявлении ошибок операция
записи прекращается, и контроллер сообщает системным программам
причину прекращения операции.
Ошибки при чтении обнаруживаются при выявлении не¬
правильной четности (поперечный контроль), несовпадении значений
символов продольного и циклического контроля. Одной из наиболее
распространенных причин ошибок в НМЛ является низкий уровень
сигнала для одной из дорожек вследствие снижения коэффициента
308
усиления усилителей в каналах записи-воспроизведения или нару¬
шения синхронизации для этой дорожки. Продольный контроль
позволяет выявить неисправный канал записи-воспроизведения и
установить признак неисправности в специальном регистре непригод¬
ных дорожек. Если в процессе операции чтения выявлены ошибки
и при этом в одном из разрядов регистра установлен признак
неисправности, то выполняется автоматическая коррекция ошибок
при повторном чтении. С этой целью производится операция возврата
MJI на один блок и повторное его считывание, в процессе которого
сигналы с МГ в «неисправном» канале игнорируются, а значения
бита данных, соответствующего этому каналу, формируются по
сигналам от схем поперечного контролу четности-нечетности. При
такой организации коррекции делается допущение, что ошибка
происходит только в «неисправном» канале. Признак неисправности
дорожки сохраняется на время передачи одного полного блока. При
обнаружении неисправимых ошибок контроллер НМЛ прекращает
обработку блока и передает системным програмам сообщение,
содержащее указание на причину прекращения операции.
Некоторые «неисправимые» ошибки можно исправить програм¬
мным путем при наличии дополнительных средств контроля или
путем повторения операции чтения, если они вызваны сбоями.
Ошибки при поиске. Поиск выполняется последовательным
считыванием блоков-меток и сравнением их содержимого с поиско¬
выми признаками, поэтому если требуемый блок не найден до
поступления сигнала от маркера конца ленты, то контроллер сообщает
системным программам о неудачном завершении поиска.
В последнее время НМЛ все шире используются в качестве
устройств резервной памяти. В таких устройствах, которые конст¬
руктивно нередко выполняют встроенными в НМД, должна выпол¬
няться автономная перезапись с МД на МЛ и обратно. Кроме того,
в них возрастают требования к достоверности информации. При этом
контроллеры ВЗУ превращаются в сложные системы, которые
согласуют процессы считывания из НМД и записи на МЛ,
преобразуют форматы и автономно управляют процессом обмена
информацией между НМД и НМЛ. Для выполнения указанных
функций в НМЛ реализуют потоковый режим работы, а запись ведут
последовательно по одной логической дорожке, образованной сер¬
пантином физических дорожек на ленте.
8.5. Основы памяти на цилиндрических магнитных доменах
Интерес к ВЗУ на цилиндрическим магнитных доменах (ЦМД)
вызван отсутствием в них механически движущихся элементов и
высокой надежностью, что особенно важно для управляющих ЭВМ
и ПЭВМ. Сравнительно высокая стоимость ВЗУ на ЦМД ограничивает
их использование этими классами машин.
309
Общие сведения. Цилиндрические магнитные домены могут
образовываться в тонких пленках некоторых магнитных материалов,
обладающих свойством магнитной анизотропии. Материал пленки
легко намагничивается в направлении, перпендикулярном поверх¬
ности, и при отсутствии внешнего магнитного поля вся пленка
разбивается случайным образом на области, направления намагничен¬
ности которых противоположны (рис.8.25,а). На рисунке северный
полюс обозначен точкой (острием стрелки), а южный — перекрестием.
Магнитные моменты областей с различными направлениями на¬
магниченности взаимно компенсируются, так что суммарные площади
с противоположными направлениями намагниченности равны. При
сильном внешнем магнитном поле, направленном перпендикулярно
поверхности пленки и имеющем напряженность выше #с, все области
пленки приобретают одинаковое направление намагниченности. Это
направление сохраняется, если напряженность внешнего магнитного
поля (поля смещения), будет снижена до величины Я^, несколько
меньшей Яс.
Если теперь воздействовать на отдельные участки пленки
магнитным полем противоположной направленности, то в точках
воздействия образуются изолированные области цилиндрической
формы, направление намагниченности которых противоположно
направлению намагниченности остального материала пленки и полю
смещения (рис.8.25,б), называемые цилиндрическими магнитными
доменами. ЦМД сохраняются и после снятия порождающего поля;
они могут перемещаться в плоскости слоя пленки под действием
внешнего магнитного поля, направленного вдоль пленки. Таким
образом, ЦМД используется для запоминания одного бита инфор¬
мации; тонкая магнитная пленка, в которой образуются домены,
является запоминающей средой, а средства, служащие для про¬
движения ЦМД по определенной траектории,- доменопродвигающей
структурой.
В качестве материала запоминающей среды используют
эпитаксиальные пленки магнитного граната (на подложке из
Рис. 8.25
310
немагнитного граната) и аморфные металлические магнитные пленки
(на аморфной подложке). Материалы на основе гранатов позволяют
получать ЦМД диаметрами 0,5-6 мкм; аморфные металлические
материалы — ЦМД диаметром 0,2-0,6 мкм, что обеспечивает более
высокую плотность размещения информации в ЗУ, но приводит к
ряду технологических трудностей.
Переход от одного направления намагниченности материала
запоминающей среды к противоположному направлению намагничен¬
ности ЦМД происходит в некоторой области, называемой стенкой.
Если изменение намагниченности в стенке происходит так, как
показано на рис.8.26, то ее называют стенкой Блоха. Стенки могут
быть с левым и правым вращением, а также с более сложной
структурой. Структура стенки оказывает влияние на динамические
характеристики ЦМД.
Основные функциональные узлы ЗУ на ЦМД. Запоминающие
устройства на основе ЦМД строят в виде сдвигающих регистров.
Основными функциональными узлами таких ЗУ являются:
— Узел сдвига двоичного кода, представленного совокупностью
ЦМД в запоминающей среде, т.е. доменопродвигающая структура;
— Узел запоминания и стирания, т.е. генератор и аннигилятор
ЦМД;
— Узел считывания, т.е. детектор ЦМД.
Помимо указанных функций в реальных структурах ЗУ на ЦМД
возникает необходимость передачи ЦМД из одного регистра в другой
без сохранения (переключение) или с сохранением ЦМД в первом
регистре (репликация).
Доменопродвигающая структура. ЦМД может
смещаться в плоскости запоминающей пленки под действием внешнего
магнитного поля, направленного вдоль пленки. Для перемещения
ЦМД по заданной траектории на запоминающий слой наносят
аппликации из магнитомягкого изотропного материала (например,
пермаллоя) в виде тонкой пленки (толщиной 0,4-1,5 мм). Затем с
помощью электромагнитов создается вращающееся магнитное поле
НьУ приводящее к намагничиванию этих аппликаций. Вследствие
взаимодействия магнитного поля домена и поля, создаваемого
♦ ♦ ♦ ♦ ♦
ttt / I I
I♦♦* *
111 \ I
Рис. 8.26
311
аппликацией, ЦМД сдвигаются вдоль градиента поля к одному из
ее концов (рис.8.27).
Для того чтобы ЦМД сдвигался только в одном направлении
при вращении поля Нь, рисунок аппликаций должен отвечать
определенным требованиям, а именно, должна создаваться «энер¬
гетическая» ловушка доменов; продвижение доменов должно осуще¬
ствляться от одной ловушки к другой. Этот процесс иллюстрируется
рис.8.28 для Т-образных аппликаций. На рис.8.29 показаны другие
используемые структуры: Y - образные, в виде симметричных и
несимметричных шевронов, с непрерывными направляющими. При
вращении продвигающего магнитного поля Нь с вектором напряжен¬
ности, паралельным плоскости запоминающего слоя и слоя аппли¬
каций, последовательно изменяется положение северного (-) и
южного (+) полюсов на каждой из аппликаций. При этом ЦМД,
обозначаемый на рисунке черным кружком, последовательно пере¬
ходит к ближайшему южному полюсу, перемещаясь от аппликации
к аппликации. Структуры с непрерывными направляющими более
сложны технологически, но обеспечивают более высокую плотность
размещения информации. Наиболее распространены структуры на
основе аппликаций в виде несимметричных шевронов и с непрерыв¬
ными направляющими.
Генераторы и аннигиляторы ЦМД. Генератор
ЦМД, т.е. схема записи единиц, наиболее часто выполняется в виде
печатного проводника, имеющего форму петли и расположенного в
доменопродвигающем слое. При подаче тока в этот проводник в
области петли создается магнитное поле, напряженность которого
достаточна для изменения направления намагниченности участка
запоминающего слоя, расположенного непосредственно под петлей,
т.е. для создания ЦМД. С помощью петли с током формируются
ЦМД с диаметром более 1 мкм. Созданный ЦМД передается затем
в доменопродвигающую структуру.
Аннигиляция ЦМД, т.е. запись «О», осуществляется
аналогично, однако ток в петлеобразном проводнике должен создавать
магнитное поле противоположной полярности. Подлежащий уничто¬
жению ЦМД перемещается внутрь петли, а затем через нее
312
Рис. 8.28
пропускается импульс тока, создающий магнитное поле, совпадающее
по направлению с полем смещения. Суммарная напряженность
магнитного поля на участке запоминающего слоя под петлей
аннигилятора становится больше Нс и ЦМД разрушается.
Детекторы ЦМД. Для считывания информации необ¬
ходимо иметь средства обнаружения ЦМД в запоминающем слое.
Для этой цели наиболее часто используют свойство некоторых
материалов изменять электрическое сопротивление при изменении
магнитного поля. Таким свойством, в частности, обладают пермал-
лоевые материалы. Электрическое сопротивление пермаллоевой
полоски изменяется в зависимости от того, находится под ней ЦМД
или нет. Однако, поскольку магнитное поле, создаваемое ЦМД,
невелико, для получения выходного сигнала требуемой амплитуды
ЦМД «растягивают». Магнитное воздействие растянутого домена
оказывается достаточным для выделения сигнала «1» или «О».
Растягивание домена производится последовательностью шевроновых
аппликаций. Растянутый домен проходит под плоскостью соединенных
последовательно шевронов, при этом их электрическое сопротивление
изменяется (рис.8.30).
Рис. 8.29
313
т'т-- тМт1
Генератор ЦМД
Запоминающий регистр
Детектор
ЦМД
Рис. 8.30
Детекторы выполняют по мостиковой схеме. В одно плечо моста
включают магниторезистор, в который передается растянутый ЦМД
из сдвигового запоминающего регистра, в противоположное плечо
моста — аналогичный магниторезистор, но не соединенный с за¬
поминающим регистром. Таким образом, под вторым из этих
магниторезисторов ЦМД всегда отсутствуют. При считывании «0»
разностный сигнал, выделяемый детектором, равен нулю, а при
считывании «1» (при наличии ЦМД под первым из магниторезисто¬
ров)—отличен от нуля. Влияние вращающего магнитного поля
продвижения сказывается одинаково на оба магнитопровода.
Для создания ЗУ на основе ЦМД необходимо также реализовать
функции переключателя. Существует несколько способов
организации переключения направления передачи ЦМД. Один из
наиболее простых заключается в том, что ЦМД подвергается
растяжению, а затем посредством аннигилятора средняя часть
растянутого домена разрушается, что приводит к образованию двух
ЦМД, иными словами происходит репликация. Репликацию можно
произвести и без использования аннигилятора путем продвижения
ЦМД через шевронную струкуру растяжения, в которой отсутствует
средняя часть. Затем один из реплицированных ЦМД разрушается
аннигилятором. Это равносильно наличию переключателя, управля¬
емого импульсами тока.
Структура запоминающего устройства. Простейшая структура
ЗУ на ЦМД (рис.8.31) включает в себя кольцевой сдвиговый регистр
7, узел записи-генератор ЦМД 2, узел стирания-аннигилятор 5, узел
считывания 4 и репликатор 5. Все эти элементы выполнены в виде
соответствующих аппликаций на запоминающем слое. Последователь¬
ный код, подлежащий запоминанию, подается на усилитель-
формирователь тока записи генератора ЦМД 2. В случае, если
заносимый в ЗУ бит содержал «1», формируется ток записи, который
приводит к образованию ЦМД. Запись информации в регистр 7
синхронизирована с магнитным полем продвижения, т.е. за один
полный цикл изменения вращающегося магнитного поля
сформированный генератором ЦМД передается в первую позицию
314
• Н--Ы Стирание
Опрос рис> 831
регистра 1, В этот момент на усилитель-формирователь тока записи
подается следующий разряд кода. После завершения второго цикла
изменения поля продвижения первый записанный бит окажется во
второй позиции регистра, а второй бит — в первой позиции.
Таким образом после п циклов изменения поля продвижения в
регистр 1 записывается n-разрядное число. Это число каждым
следующим тактом продвигается на одну позицию вперед в кольцевом
регистре. Когда ЦМД достигает позиции репликатора 5, домен
расщепляется, причем один из образованных доменов передается на
следующую позицию регистра, а второй — в схему считывания 4.
При необходимости прочтения информации на схему считывания 4
подается сигнал опроса.
Для записи новой информации предыдущая должна быть
разрушена; с этой целью в моменты времени, когда подлежащие
стиранию информационные биты располагаются в позиции узла
стирания Зу на него подается ток записи «О», т.е. ток аннигиляции
ЦМД. Записанная информационная последовательность непрерывно
перемещается в кольцевом сдвиговом регистре. Максимальная задер¬
жка между моментом запроса информации и моментом, когда она
станет доступной, составит
Тд = Ть Пу
где Ть — длительность одного цикла изменения поля продвижения;
п—длина кольцевого сдвигового регистра. Задержку в выдаче
информации относительно момента запроса называют временем
доступа и характеризуют средним значением
Тд.Ср = (Тьп)/ 2.
Для значений частоты поля продвижения 1/Ть • (100-300) кГц и длины регистра п -
"16K среднее время доступа Тд.Ср “ (25-80) мс.
Для рассмотренной структуры ЗУ на ЦМД увеличение объема
памяти приводит к увеличению времени доступа. Современные ЗУ
на ЦМД имеют более сложную структуру, называемую часто
минор-мажорной. Такая струкрура включает в себя m кольцевых
сдвиговых регистров хранения информации длиной ni бит каждый
(минорные регистры) и один или два главных (мажорных) регистра
ввода-вывода, служащих для организации записи и чтения.
315
Структура ЗУ на ЦМД с одним главным регистром приведена
на рис.8.32,а. Посредством генератора ЦМД 4 производится запись
последовательного кода в главный сдвиговый регистр 3. После
занесения всего числа в главный регистр подается сигнал на
переключатели 2, которые передадут ЦМД в кольцевые регистры
хранения У. Таким образом, если записывается последовательность
m-разрядных чисел, то в одном регистре хранения размещаются
одноименные разряды всех чисел, а все разряды одного числа
распределяются по разным регистрам хранения. Положение одного
числа условно показано точками. Кольцевые регистры хранения
работают аналогично. Если длина запоминаемых чисел равна числу
регистров хранения, то среднее время доступа
ПсР = in ni) и ,
пг~ длина регистра хранения, а объем такого ЗУ п = тгц.
Стирание и считывание информации в этой структуре выпол¬
няется с помощью переключателя 2, репликатора 5 и детектора 6.
Подлежащая считыванию информация в момент, когда она находится
в позиции переключателя 2, передается из регистров хранения в
главный регистр. После этого производится считывание из главного
регистра аналогично тому, как описано для последовательной
структуры. Для синхронизации передачи ЦМД из рабочих в главный
регистр в нем предусматриваются две позиции для каждого рабочего
регистра, что приводит к увеличению времени считывания инфор¬
мации
Тсч = 2Ть m .
Однако существуют структуры ЗУ на ЦМД, позволяющие
избежать увеличения времени записи-считывания; в таких структурах
обычно предусматриваются самостоятельные отдельные главные
регистры для записи-считывания четных и нечетных позиций
числового кода. Кроме того, можно все рабочие регистры разбивать
на несколько групп, каждая из которых будет объединена своим
общим только для регистров этой группы главным регистром. Наличие
нескольких групп рабочих регистров, в которых сдвиг хранимой
информации осуществляется одновременно, позволяет использовать
одну из таких групп для хранения управляющей информации.
Кроме того, в рабочих регистрах ЗУ на ЦМД могут быть
предусмотрены переключатели, посредством которых рабочие коль¬
цевые регистры длиной щ разбиваются на два кольцевых регистра
неравной длины п!i и п i рис.8.32,б. В режиме хранения информации
регистры (п 1) и (п i) посредством переключателей соединены
последовательно и ЦМД продвигаются по «большому» кольцу единого
рабочего регистра. В режимах записи и считывания переключатели
»разрезают« большой кольцевой регистр на два. При этом подлежащая
316
считыванию информация размещается по малым кольцевым
регистрам (/г Д. Такая структура позволяет ускорить процесс ввода-
вывода, а также обеспечивает возможность использования логической
организации информации, принятой для ЗУ со сменными пакетами.
Рассмотрим следующий пример на рис.8.32,б. Пусть в ЗУ на
ЦМД хранится совокупность записей {Л}, каждая из которых
включает четыре поля Rr(F 1 i,F2i,F3i,F4i). Для хранения каждого поля
записей предусмотрены отдельные группы рабочих регистров; кроме
того, предусмотрен регистр для хранения управляющей информации
(управляющее поле
Пусть необходимо найти и прочитать среди записей Л те, у
которых поля F3i и Ря отвечают некоторым условиям, например,
Рз?=Рз?г, a F# > F4rr. Работа ВЗУ в этом случае может быть
организована следующим образом. Вначале производится последова¬
тельное считывание полей Р$ и сравнение их с эталонным Рз^-. При
обнаружении совпадения в позицию поля управления соответс-
вующую записи Ri, для которой выявлено совпадение содержимого
полей Fi и Рзтг, заносится единица. Затраты времени на эту операцию
могут быть оценены как и-Тгцтз, где тт-длина поля Рз. Затем
аналогичным образом проверяется второе условие, для чего
производится считывание полей 7ч, на это уходит t2=Tnirri4. В случае,
если условие не выполнено, то в управляющее поле 7ч записывается
«О». Таким образом, после завершения этих двух операций
считывания в поле 7ч будут сохранены единицы только в тех
позициях, которые соответствуют искомым записям. Следующий шаг
заключается в считывании записей Rx, для которых Fd равно
«1».Такая последовательность действий позволяет найти нужные
записи без считывания всего содержимого памяти. Если известна
область, где могут находиться искомые записи, то время поиска
можно уменьшить. Для этого в момент, когда область находится в
регистрах rJ i , в ключи & подается сигнал, на «разрезание» регистров.
Теперь поиск ограничен длиной регистров n j, что приводит к
317
уменьшению времени поиска U и fc, а также времени на
непосредственное считывание записей из поля Fc. После завершения
операции записи-чтения сигнал с переключателей снимается.
Если логическую структуру данных в ВЗУ на ЦМД организовать
аналогично НМД, то его можно рассматривать в качестве «элект¬
ронного диска» и использовать те же системные программы, что и
для НМД.
Контрольные вопросы
1. Почему память ЭВМ имеет иерархическую структуру? Охарактеризуйте каждый
уровень.
2. Чем отличается вертикальная и горизонтальная магнитная запись? Каковы особен¬
ности оптической записи?
3. Охарактеризуйте способы записи (БВН-1, ФК, ЧМ, МФМ, ГК) и опишите алгоритмы
восстановления информации по отпечаткам на носителе.
4. Как организована информация в ВЗУ с прямым доступом? Как производится поиск
по адресу? По ключу?
5. Составьте структурную схему НМД и охарактеризуйте ее блоки.
6. Как организована информация на МЛ? Какие операции выполняются в НМЛ?
7. Опишите основные узлы ЗУ на ЦМД. Приведите пример структуры ВЗУ на ЦМД и
опишите основные операции.
Методы магнитной записи подробно изложены в [24,35,52], логическая организация
информации и конструкции отдельных узлов —в [1,17], тракты записи-воспроизведе¬
ния — в [11,24]. Монография [47] посвящена ЗУ на ЦМД, а [3] — оптическим ЗУ. Под¬
робнее о конструкциях НМД и НМЛ см. [9,23].
9. ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТЫ ПЕРИФЕРИЙНЫХ
УСТРОЙСТВ В ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ
КОМПЛЕКСАХ И СИСТЕМАХ
Вычислительные средства объединяются в комплексы (ВК), системы и сети в целях
увеличения производительности, обеспечения более высокой надежности, выполнения
различных сложных системных функций, обеспечения коллективного использования
многими пользователями дорогостоящих периферийных устройств, организации удален¬
ного доступа. Периферийные устройства в ВС и ВК служат не только для ввода исходной
информации от объектов внешнего мира, вывода результатов обработки и хранения
больших объемов информации во внешней памяти, но и для организации обмена между
центральными обрабатывающими устройствами, входящими в состав комплекса, т.е. для
организации самого комплекса. Первоначально причиной создания ВК явилась необ¬
ходимость преодоления противоречия между высоким быс,гоодействием центральных
устройств и низкой скоростью работы ПУ. Это противоречие 'тично разрешено вве¬
дением в состав ВК специализированных процессоров ввода-вывода, что позволило
организовать параллельную работу центрального процессора и большого числа ПУ, что,
в свою очередь, привело к увеличению доли периферийного оборудования в составе
комплексов и систем.
Если ВК или ВС создаются с целью достижения высокой или сверхвысокой
производительности, то для обеспечения полного использования всей потенциальной
производительности центральной части требуется большое количество различных ВЗУ и
УВВ при достаточно сложной организации работы этого оборудования. Точно также, если
создание ВК или ВС направлено на обеспечение высокой надежности и живучести, то это
может быть реализовано, как правило, только за счет резервирования оборудования, в том
числе и периферийного. Это опять таки требует и увеличения количества ПУ, и услож¬
нения организации их работы. Естественно, способы подключения и организация работы
ПУ существенно зависят от характера и структуры ВК и ВС.
9.1. Особенности подключения периферийных устройств к вычислитель¬
ным комплексам и системам
Способы подключения и использования ПУ в значительной части
зависят от типа ВК и его структурной организации. Все ВС и ВК
принято делить на многопроцессорные и многомашинные.
В многопроцессорых ВК несколько процессоров
используют модули оперативной памяти и ПУ в качестве общих
ресурсов. Различают три типа структурной организации многопро¬
цессорных ВК:
— с общей или разделенной во времени шиной;
319
ЦП
ЦП
ОЗУ
ОЗУ
КВВ
ПУ
о^Ь
Рис. 9.1
ОЗУ
КВВ
о^Ъ
ПУ
— с перекрестной коммутацией;
— с многовходовой оперативной памятью.
Структура ВК с общей, или разделенной во времени, шиной
обладает наименьшей сложностью (рис.9.1,д). В таком ВК все
устройства (центральные и периферийные) связаны между собой
общей шиной, по которой осуществляются все обмены информацией.
Структура чрезвычайно проста с точки зрения связей: единый
объединенный интерфейс для всех устройств позволяет легко
добавлять в комплекс необходимые устройства или исключать их из
320
него. Просто решается и организация работы ПУ, чаще всего они
(точнее регистры их контроллеров) адресуются как ячейки ОЗУ и
не требуют специальных команд (см.гл.З).
Вычислительные комплексы с общей шиной не свободны и от
недостатков. Основной из них заключается в том, что производитель¬
ность ВК полностью зависит от пропускной способности ОШ—ведь
взаимодействовать друг с другом в каждый момент времени могут
только два устройства — остальные в это время простаивают. Это не
позволяет создавать с такой структурной организацией крупные ВК
ввиду того, что эффективность использования аппаратуры окажется
очень низкой. Второй недостаток заключается в том, что ОШ
оказывается слабым звеном комплекса с точки зрения надежности —
выход ее из строя приводит к отказу всего ВК. С первым недостатком
борются, создавая высокоскоростные ОШ, в частности, используя
оптоволоконные линии связи, со вторым—путем резервирования ОШ.
Однако и то и другое существенно усложняет и удорожает ВК.
Свободны от указанных недостатков многопроцессорные ВК с
перекрестной коммутацией (рис.9.1,6). В этих ВК связи между
процессорами (ЦП), модулями ОП (ОЗУ) и процессорами ввода-вы¬
вода (ПВВ) осуществляются с помощью специальной коммутационной
матрицы (КМ1), которая позволяет осуществлять связь любых
устройств друг с другом, причем любые пары устройств могут
обмениваться информацией одновременно. При этом обеспечивается
высокая производительность ВК и эффективно используются все
аппаратные средства. Такая организация хороша и с точки зрения
надежности — выход из строя какой либо коммутационной связи
приводит к отключению лишь части комплекса, а остальная часть
продолжает функционировать.
Недостатком рассматриваемой структуры является сложность
коммутационной матрицы, которая должна строиться на высокоско¬
ростной (и достаточно дорогой) элементно-технической базе, чтобы
не ограничивать скорости работы центральных устройств. По этой
причине ПУ не связываются с центральными устройствами через ту
же коммутационную матрицу КМ1, а используется другая матрица
КМ2, в которой обычно применяется не столь быстрая и не столь
дорогая элементная база, как в КМ1.
В многопроцессорных ВК с многовходовой оперативной памятью
все функции коммутации устройств переносятся в ОЗУ (рис.9.1,в).
Каждое ОЗУ имеет самостоятельную связь с каждым устройством,
входящим в состав ВК. Это упрощает коммутацию, хотя и несколько
усложняет ОЗУ, которое должно иметь количество входов (выходов),
равное числу подключаемых к нему устройств. Совершенно ясно,
что в этом случае подключать ПУ прямо к ОЗУ нерационально —
это слишком бы усложнило коммутацию в ОЗУ, поэтому ПУ
подключаются через КВВ.
321
Общесистемные
Рис. 9.2
Несмотря на различные способы подключения и организации
работы ПУ, в многопроцессорных ВК обеспечивается доступ со
стороны всех процессоров ко всему периферийному оборудованию.
В многомашинных ВС, представляющих собой совокуп¬
ность нескольких ЭВМ, каждая из которых имеет полный набор всех
ресурсов, включая и ПУ, связанных между собой определенными
способами для выполнения общесистемных функций, связи ПУ с
центральными устройствами и организация их работы практически
мало отличаются от того, что имеет место в обычных одиночных
ЭВМ.
На рис.9.2 изображена структура ВК, включающего две одина¬
ковые универсальные ЭВМ (ЭВМ1 и ЭВМ2). Каждая ЭВМ имеет в
своем составе полный набор необходимых для ее работы устройств.
Все ПУ подключены к ЦП через КВВ стандартными способами (см.
гл.З). Кроме того, ЭВМ имеют характерные для многомашинных
систем связи: через общее ОЗУ (ООЗУ), канал прямого управления
(КПУ), адаптер канал-канал (АКК), а также через ВЗУ. Наличие
всех связей необязательно, но обычно в комплексе существует
несколько типов связей, причем практически всегда имеется связь
через ВЗУ. Эта связь организуется достаточно просто: контроллеры
ВЗУ подключаются к двум КВВ разных ЭВМ через двухпозиционный
переключатель (ДПК), имеющий два входа и позволяющий подклю¬
чать ВЗУ к любому каналу. Такая связь позволяет организовать
единое поле внешней памяти многомашинного комплекса.
322
Следует отметить, что двухпозиционным переключателем снаб¬
жаются практически все ВЗУ универсальных ЭВМ, даже если они
и не объединяются в многомашинный комплекс. Это дает возможность
подключить ВЗУ к двум разным КВВ; в случае выхода из строя
одного из них всегда остается возможность доступа к информации,
хранящейся в ВЗУ, через другой КВВ. Такие же средства
используются и в ВЗУ многопроцессорных ВК.
Как видно из рис.9.2, адаптеры канал-канал (АКК) и много¬
входовые ВЗУ подключаются к КВВ через стандартный интерфейс
ввода-вывода. Таким образом ПУ могут использоваться для постро¬
ения многомашинных ВК. При объединении в многомашинный
комплекс миниЭВМ, обладающих объединенным интерфейсом, в
качестве специальных ПУ используют переключатели шины,
специальные коммутаторы и адаптеры межпроцессорной связи, в
которых реализуется принцип «окна» интерфейса или принцип
пословного обмена.
Нередко встречаются многомашинные ВК с так называемыми
сателлитными ЭВМ. Входящие в этот комплекс машины неравноцен¬
ны—обычно это бывает одна мощная быстродействующая полнораз¬
рядная ЭВМ и одна или даже несколько ЭВМ существенно (на
порядок) меньшей производительности с малой разрядностью. Связь
между ними осуществляется через АКК.
Смысл комплексирования заключается в том, чтобы разгрузить
мощную ЭВМ от большого количества простых операций, которые
необходимо выполнять при вводе и выводе информации. В современ¬
ных ЭВМ человек-пользователь стремится вводить в ЭВМ и получить
от нее информацию в наиболее удобной для него форме (текст,
графика, речь), в то время как эта форма совершенно непригодна
для обработки в ЭВМ. На перевод из одной формы в другую, да и
вообще на организацию ввода/вывода требуется довольно много
простых операций над отдельными символами. Тратить на это время
мощного процессора просто нерентабельно, и поэтому подключение
саттеллитной ЭВМ дает значительный эффект и повышает сущест¬
венно производительность всего комплекса.
Для ВС (ВК, ориентированных на решение определенного класса
задач) характерны специфическая структура управления, очень
высокое быстродействие и, как следствие, большое количество
различных ПУ, обеспечивающих загрузку устройств обработки.
Именно ориентация на решение определенного класса задач и
позволяет в настоящее время создавать ВС с производительностью
108 — 109 оп./с и более. К таким ВС относятся конвейерные, кон¬
вейерно-векторные, матричные и ассоциативные системы. Специфика
структуры центральных обрабатывающих устройств ВС практически
исключает возможность использования их в какой бы то ни было
степени для организации ввода-вывода, поэтому эти функции обычно
323
возлагают на универсальную ЭВМ среднего класса или миниЭВМ.
Часто такая ЭВМ выполняет и диспетчерские функции, управляя
всем вычислительным процессом. Характерным примером ВС является
ПС-2000, в которой ЭВМ СМ-2 или СМ-2М осуществляет функции
мониторной подсистемы, ведущей весь процесс обработки инфор¬
мации, и одновременно организует обмен информацией между
специализированным процессором ППС-2000 и ПУ.
С развитием микропроцессорной техники наблюдается заметная
тенденция к использованию в системах ввода-вывода информации
функционально-ориентированных процессоров и ЭВМ, каждая из
которых решает определенную часть общей задачи. Так, в составе
ВК могут быть использованы процессор для работы с устройствами
ввода и вывода информации, файловый процессор для работы с ВЗУ,
графический процессор для работы с устройствами графики, процессор
для дистанционной обработки информации и т.п. Такие структуры
позволяют реализовать параллельное выполнение всех асинхронных
процессов в ВК и ВС и вместе с тем позволяют в широких пределах
изменять состав и функции ВС и ВК.
9.2. Периферийные устройства в системах дистанционной обработки
информации
Система дистанционной обработки информации (СДОИ) —
совокупность аппаратных и программных средств, обеспечивающих
передачу информации от пользователя к удаленной ЭВМ с целью
ее обработки и обратную передачу результатов обработки к
пользователю. СДОИ позволяют эффективно загружать большие
вычислительные центры, при этом пользователи через каналы связи
с помощью сравнительно простых устройств получают доступ к
мощным вычислительным ресурсам, оплачивая только время их
непосредственного использования. Развитие ПЭВМ не только не
исключает широкого использования СДОИ, но в значительной
степени и стимулирует его, так как подключение ПЭВМ к
высокопроизводительным ЭВМ, входящим в состав СДОИ, позволяет
использовать большие банки данных, библиотеки программ и решать
сложные задачи.
Типовая конфигурация СДОИ представлена на рис.9.3. В состав
СДОИ входят устройства сопряжения с каналами (УС), аппаратура
передачи данных (АПД), каналы связи (КС), терминалы или
абонентские пункты (АП) и собственно ЭВМ. Сопряжение всех
устройств в СДОИ осуществляется через интерфейсы-стыки (Cl, С2,
СЗ), стандартизованные международными соглашениями.
Каналы связи. Отличительной особенностью СДОИ является
удаленность пользователя (абонента) от ЭВМ, поэтому необходимым
элементом становится канал связи. Обычно в СДОИ используются
существующие каналы связи общего назначения: телеграфные (Тг),
324
КС
Рис. 9.3
телефонные (Тф), радиорелейные, радиоканалы и др. Линии передачи
могут быть различными — проводные, кабельные, радиорелейные,
волоконно-оптические, инфракрасные, радиолинии и т.п.
Важнейшими характеристиками канала связи являются: пропу¬
скная способность, т.е. максимальное количество двоичных единиц
информации, которое можно передать в единицу времени; достовер¬
ность передачи, характеризуемая вероятностью искажения отдельной
единицы информации.
Пропускная способность канала определяется
полосой частот, эффективно передаваемых по данному каналу. Полоса
частот зависит от физической реализации канала и колеблется от
единиц килогерц до 1000 МГц. Широкополосные линии связи
позволяют реализовать несколько каналов связи, при этом каждому
каналу связи выделяется своя полоса частот. Ширина этой полосы
зависит от требуемой скорости передачи данных: чем выше скорость,
тем шире выделенная полоса. Так, например, в стандартной
телефонной линии связи (Тф), имеющей полосу шириной 3,1 кГц
(от 300 Гц до 3400 Гц), можно создать до 20 каналов связи со
скоростью передачи данных 50 бит/с, или до 10 каналов — со
скоростью 100 бит/с, или один канал со скоростью 1200 бит/с.
Для СДОИ скорости передачи данных стандартизованы. Они
имеют следующие значения: 200, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600,
12 000, 24 000, 48 000 и 96 000 бит/с. Однако в реальных СДОИ
часто используются еще и две нестандартные скорости — 50 и 100
бит/с.
Достоверность передачи информации по
реальным линиям связи весьма невысока — она колеблется от 10—3
до 1(Г6. Это совершенно недостаточно для качественной передачи
информации в СДОИ, поэтому существуют специальные методы
контроля передаваемой информации и исправления ошибок.
По существующим линиям связи практически нельзя передавать
информацию в том виде, в котором она циркулирует в ЭВМ из-за
325
слишком больших искажений, так как для передачи прямоугольных
импульсов без искажений требуется бесконечно большая полоса
частот. Для того чтобы перевести эти сигналы в ограниченную полосу
частот реального канала, осуществляется модуляция сигнала сину¬
соидальной формы некоторой несущей частоты импульсами прямоу¬
гольной формы. На рис.9.4 изображена передача комбинации
двоичных знаков при так называемой амплитудной модуляции (AM),
когда значение «1» передается наличием сигнала, а значение «О» —
отсутствием (иногда сигналом меньшей амплитуды). Кроме амплитуд¬
ной модуляции существуют и другие виды. Наиболее употребительны
фазовая (ФМ) — при смене «1» на «О» и обратно изменяется фаза
сигнала (обычно на 180°), и частотная модуляция (ЧМ), «1»
передается сигналами одной частоты, а «0» — другой.
При приеме информации на другом конце линии связи
осуществляется обратная операция — демодуляция, которая в
зависимости от типа модуляции осуществляется амплитудными,
фазовыми или частотными детекторами. Фазовая и частотная
326
модуляция и демодуляция более сложны в реализации по сравнению
с амплитудной (AM), зато обеспечивают большую помехо¬
устойчивость.
Модуляторы и демодуляторы (модемы) являются основными
устройствами АПД. Кроме них, в состав АПД входят устройства
защиты от ошибок (УЗО) и средства автоматической коммутации
каналов (автоматические вызывные устройства — АВУ), которые
применяются при использовании для СДОИ коммутируемых линий
связи общего пользования. В некоторых случаях для особо ответст¬
венных систем используются специально выделенные и неком¬
мутируемые каналы связи. В табл.9.1 приведены основные
характеристики некоторых устройств АПД, используемых в СДОИ
на базе ЕС ЭВМ. Отметим, что концепция СДОИ получила
наибольшее распространение именно в рамках программы ЕС ЭВМ.
Таблица 9. 1
Тип устрой¬
ства
Шифр
Скорость
передачи
данных,
бит/с
Тип канала
связи
Режим пере¬
дачи
Метод моду¬
ляции
Модем-200
ЕС8002
300
Тф, В, к
Д, ПД, А
ЧМ
Модем-1200
ЕС8006
600, 1200
Тф, В, к
Д, ПД, А, С
чм
Модем-2400
ЕС8010
600, 1200,
2400
Тф, В
Д, пд, С
ФМ
Модем-4800
ЕС8015
2400, 4800
Тф, В
д,с
ЧМ, ФМ
Модем-4800
ЕС8018
4800,9600
Тф, В
Д, ПД, с
ФМ
УПС-Тг
ЕС8030
50—200
Тг, В, К
Д, ПД, А, С
AM
В — выделенный, К — кммутируемый канал; Д — дуплексная, ПД — полудуплекс¬
ная передача; А — асинхронная, С — синхронная передача
Информация в линиях связи передается последовательным кодом,
в то время как ЭВМ работает с данными, представленными в
параллельной форме. Кроме того, организация непосредственно
передачи требует формирования и расшифровки специальных слу¬
жебных ходовых символов, синхронизации, организации очередей и
т.п. Возлагать все эти функции на ЭВМ нецелесообразно. Для этих
целей в СДОИ существуют специальные устройства сопряжения (УС)
с каналом связи. Индивидуальные УС, которые осуществляют связь
ЭВМ только с одним каналом связи, называются линейными
адаптерами и используются достаточно редко. Иногда в качестве
индивидуальных УС используются простые устройства преобразования
сигналов (УПС): для телеграфных линий — УПС-Тг, оптических—
УПС-ОЛ, телефонных — УПС-Тф. Чаще используют групповые УС,
связывающие ЭВМ с несколькими каналами связи. Они называются
327
мультиплексорами передачи данных (МПД). МПД, в которых все
функции выполняются аппаратными средствами, называются аппа¬
ратными.
Более совершенны программируемые МПД, в которых значитель¬
ная часть функций выполняется с помощью микропрограмм, хра¬
нящихся в соответствующей памяти. Программируемые МПД легче
приспосабливаются к различным каналам связи, режимам работы,
лучше учитывают требования пользователя. Еще большую гибкость
в использовании обеспечивают процессоры телеобработки данных
(ПТД), которые с появлением микропроцессоров получили широкое
распространение и заменили МПД. ПТД в значительной степени
разгружают основную ЭВМ от вспомогательной работы по
организации передачи и приема информации: подготавливают инфор¬
мацию, поступающую от удаленного абонента к виду, удобному для
обработки в ЭВМ, а информацию, выдаваемую из ЭВМ, преобразуют
в форму, удобную для пользователя; организуют очереди сообщений;
производят редактирование их, вводя служебную информацию при
передаче и исключая ее из сообщений при приеме. На ПТД обычно
возлагаются и все функции по контролю качества передачи, и по
исправлению ошибок. Следовательно, ПТД — это наиболее универ¬
сальное средство сопряжения основной ЭВМ с каналами связи.
Достаточно полное представление о возможностях ПТД дают
следующие характеристики ПТД ЕС8375:
Тип каналов связи:
— телеграфные и телефонные, коммутируемые и некоммутируемые высокоскорост¬
ные;
Число каналов:
— полудуплексных до 64,
— дуплексных до 32;
Скорости передачи данных:
— по Тг каналу: 50, 75, 100, 200 бит/с,
— по коммутируемым Тф каналам: от 100 до 1200 бит/с,
— по некоммутируемым Тф каналам: от 100 до 9600 бит/с,
— по физическим линиям: до 19 200 бит/с,
— по широкополосным линями: до 48 000 бит/с;
Число каналов связи с ЭВМ — не более двух;
Емкость ОЗУ — 512 Кбайт;
Подключаемые АП — стартстопные, синхронные, программируемые, ПЭВМ.
Оконечный элемент в цепи передачи данных — абонентский
пункт (АП), или терминал. Состав и функции АП зависят прежде
всего от характера задач, решаемых пользователем с помощью средств
этого АП. Все АП имеют примерно одинаковую структуру (рис.9.5),
основа их — это УВВ информации, посредством которых и осущест¬
вляется общение абонента с удаленной от него ЭВМ. Непосредствен¬
ная связь с каналом осуществляется через АПД, которая обычно
входит в состав АП. Кроме того, имеется устройство управления
(УУ), которое выполняет все операции, связанные с организацией
328
передачи и приема информации: управление УВВ; обнаружение и
исправление ошибок, возникающих при передаче данных; управление
передачей и приемом данных в соответствии с принятым в СДОИ
алгоритмом; преобразование кодов и форматов сообщений; последо¬
вательно-параллельные и обратные преобразования при передаче и
приеме; синхронизация; обеспечение работы оператора.
С точки зрения способов реализации функций управления все
АП можно разделить на две группы — АП с аппаратной реализацией
управления и программируемые АП. В программируемых АП для
управления используются мини- или микроЭВМ. Такие АП называют
обычно интеллектуальными.
Особенностью структуры АП является модульность построения.
Это позволяет при небходимости наращивать или сокращать АП в
зависимости от возлагаемых на него задач, что в конечном счете
позволяет использовать АП с максимальной эффективностью.
По назначению все АП можно разделить на три группы: АП
для контроля и управления технологическими процессами, производ¬
ством, научным экспериментом и т.п.; АП для обработки запросов
и выдачи справок или данных; АП для ввода заданий в ЭВМ с
целью решения задач. По способу взаимодействия с ЭВМ АП
разделяются на АП пакетной передачи и диалоговые АП. В
зависимости от режима работы выбираются соответственно и ПУ,
которыми комплектуются АП.
В АП практически используются в тех или иных сочетаниях
все виды ПУ. Состав этих устройств определяется функциями АП,
теми требованиями, которые вытекают из задач, возлагаемых на АП.
С точки зрения используемых ПУ АП не поддаются классификации.
Можно лишь выделить наиболее распространенные модификации.
Наиболее простыми являются АП на базе телеграфных аппаратов
и телетайпов (ТТ), которые сочетают в себе устройства ввода
информации в канал связи и далее в ЭВМ, а также приема ее из
канала связи. В качестве линий связи используются телеграфные
линии, которые не требуют модемов, а сигналы в них формируются
более простыми способами в виде токовых посылок. Телетайпы и
телеграфные аппараты в своем составе имеют и необходимые
элементы управления.
Выполненные на базе последовательного ПчУ или электрической
пишущей машинки АП также достаточно просты; в них средства
Рис. 9.5
329
ввода и вывода информации объединены в одном устройстве. Обычно
АП этого типа работают по низкоскоростным телеграфным каналам
связи. Скорость передачи определяется скоростью работы оператора,
но при наличии буферного запоминающего устройства передача может
производиться и с большей скоростью.
Несколько сложнее АП, выполненные на базе перфоленточных
(ПЛ) и перфокарточных (ПК) устройств. Эти устройства целесооб¬
разно использовать при передаче сравнительно больших объемов
информации, при этом скорость передачи может быть достаточно
большой. Кроме того, на ПЛ и ПК информация может храниться
сколь угодно долго и может быть передана тогда, когда канал связи
наименее загружен. АП на базе магнитных ВЗУ превосходят
перфоленточные и перфокарточные по своим возможностям: можно
передавать больший объем информации и с большей скоростью.
Наибольшее распространение в СДОИ получили АП на базе
дисплеев. Этот тип АП наиболее удобен для работы с ЭВМ в
интерактивном режиме. В состав дисплейного АП входят обычно
устройство отображения информации (УОИ), клавиатура для ввода
информации и последовательное ПчУ для документирования необ¬
ходимой информации. Наиболее распространены алфавитно-цифровые
дисплеи, реже — графические.
Преимуществом дисплейных АП являются: высокая скорость
обмена информацией с ЭВМ, возможность редактирования и простота
исправления сообщений перед их посылкой в канал связи, что резко
сокращает количество ошибок в системе, а также бесшумность работы
и достаточно высокая надежность. Формат сообщения может быть
различным, различны и принципы отображения информации
(см.гл.5). Дисплейные АП часто используются в групповом испол¬
нении, когда одно устройство управления и общая АПД в режиме
разделения времени обслуживают большое количество абонентов,
каждый из которых располагает своим устройством отображения и
клавиатурой. ПчУ может быть индивидуальным и общим. Канал
связи для всех абонентов также используется только один.
Определенный интерес для АСУ технологическими процессами,
АСУ производством и т.п. систем представляют АП, предназначенные
для работы с жетонами, паспортами и датчиками. Различного рода
жетоны и паспорта позволяют просто и быстро передать информацию
в ЭВМ, не прибегая к достаточно длительным и требующим
специальных навыков процедурам ввода с кавиатуры или записи
информации на носитель.
Многоцелевые программно-управляемые АП (интеллектуальные
терминалы) строятся на базе мини- или микроЭВМ, что существенно
расширяет их возможности. При этом большинство функций в АП
осуществляется программно; это повышает гибкость системы, каналы
связи занимаются на гораздо меньшее время, существенно экономится
время центральной ЭВМ за счет того, что АП частично берет на
себя функции предварительной обработки данных, а также выполняет
значительную часть работы по реализации алгоритма обмена. ЭВМ
позволяет использовать широкий набор ПУ. Естественно, что
330
«интеллектуальность» терминала определяется возможностями входя¬
щей в его состав ЭВМ.
В качестве примера в табл.9.2 приведены основные харак¬
теристики ряда промышленных АП в составе ЕС ЭВМ, которые
охватывают все перечисленные типы АП.
Таблица 9. 2
Обозначение
Тип канала связи
Пропускная способ¬
ность, бит/с
Состав ПУ
АП-93 (ЕС 8593)
Тф, Тг
50,100, 200
ТТ
АП-70 (ЕС 8570)
Тф, Тг
100
ПМ, Кл
АП-61 (ЕС 8561)
Тф
200, 1200, 2400
ПМ, Кл, У О (одиноч¬
ный)
АП-63 (ЕС 8563)
Тф
1200,2400, 4800
ПМ, Кл, УО (до 24
ПУ)
АП-2 (ЕС 8502)
Тф, Тг
200
Кл, ПЛ, ПчУ
АП-5 (ЕС 8505)
Тф
200, 600, 1200
ПМ, Кл, ПЛ, УВвД,
УВвЖ
АП-4 (ЕС 8504)
Тф
600, 1200, 2400
Кл, ПчУ, НМЛ, ПЛ,
ПК (до 8 ПУ)
ЕС 7920
Тф
1200, 2400, 4800
Кл, УО, ПчУ
ТТ — телетайп; Кл — клавиатура.;
пм
— пишущая машинка; У О—дисплей; УВвЖ
— устройство ввода жетонов; УВвД — устройство ввода с датчиков
Дальнейшее развитие СДОИ получили в виде сетей ЭВМ:
глобальных и локальных.
Контрольные вопросы
1. В чем состоят особенности организации работы в многопроцессорном ВК? В много¬
машинном ВК?
2. Каковы основные функции сателлитной ЭВМ в ВК?
3. Какую роль играют ПУ в СДОИ?
4. Какова типовая структура АП и какие функции выполняют устросйтва АП?
5. Что такое интеллектуальный терминал? В чем его преимущества?
6. Какие АП в составе ЕС ЭВМ Вам известны? Их особенности и характеристики.
Организации ВС и ВК, а также систем дистанционной обработки информации посвя¬
щено пособие [21 ]; более подробно средства телеобработки описаны в [41 ].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Вычислительная техника проникает практически во все сферы
человеческой деятельности, персональные ЭВМ становятся доступ¬
ными непрофессиональному пользователю, невиданными темпами
растут объемы информации, хранимой во внешней памяти машин,
быстрыми темпами снижается стоимость центральных устройств
благодаря развитию интегральной технологии. Все это приводит к
резкому усложнению требований, предъявляемых к средствам
общения ЭВМ и внешнего мира, т.е. к периферийным устройствам.
Можно ожидать, что увеличение объемов внешней памяти при
одновременном уменьшении времен доступа будет достигнуто за счет
совершенствования магнитооптических ВЗУ, хотя нельзя исключать
создания новых материалов, открытия и использования новых
физических методов хранения информации. В ближайшее время
магнитные модули и гибкие магнитные диски сохранят доминирующее
положение, магнитные ленты будут служить только в качестве
архивной памяти.
Сохранится тенденция увеличения доли ПУ в стоимости всей
ЭВМ, комплекса или системы. С целью снижения затрат на
оборудование все шире будет практиковаться коллективное исполь¬
зование ПУ (ПчУ, устройств регистрации графической информации)
несколькими пользователями, для чего ПЭВМ будут объединяться в
локальные сети. Возрастет роль устройств телеобработки как средств
доступа к базам данных и знаний, что обеспечит коллективное
использование дорогостоящих систем внешней памяти.
Можно предположить, что системы ввода-вывода речевой
информации найдут широкое применение в ПЭВМ, а также в ЭВМ,
предназначенных для управления автомобилями, кораблями, техно¬
логическими процессами и т.п. Получат развитие системы техниче¬
ского зрения, которые сделают машины «зрячими». Все это потребует
интеллектуализации ПУ, т.е. встраивания в ПУ все более мощных
средств обработки.
Не следует, однако, ожидать резкого роста быстродействия УВВ
и снижения их стоимости, так как их быстродействие в значительной
мере определяется возможностями объектов внешнего мира по
восприятию и выдаче информации, а стоимость — принципами
действия этих устройств. Повышение надежности будет достигаться
не только применением новых материалов и новых конструкций, но
также и более эффективной организацией технического
обслуживания.
332
Список литературы
1. Адасько В.И., Каган Б.М., Пац В.Б. Основы проектирования запоминающих уст¬
ройств большой емкости.- М.: Энергоатомиздат, 1984, 288с.
2. Алиев Т.М.,Вигдоров Д.И.,Кривошеев В.П. Системы отображения информации.-
М.:Высшая школа, 1988, 223с.
3. Авах Ю.А., Фатин В.К. Односторонние запоминающие устройства.- М.: Энергия,
1981,191с.
4. Балашов Е.П.,Григорьев В.Л.,Петров Г.А. Микро- и миниЭВМ.- Л.: Энерго¬
атомиздат, 1984, 376с.
5. Воробьев Н.В.,Вернер В.Д. Микропроцессоры. Элементная база и схемотехника
средств сопряжения/ Под ред.Л.Н.Преснухина.-М.: Высшая школа, 1984, 103с.
6. Вуколов Н.И., Михайлов А.Н. Знакосинтезирующие индикаторы: Спавочник.- М.:
Радио и связь, 1987, 589с.
7. Гилой В. Интерактивная машинная графика: Структуры данных, алгоритмы,
языки: Пер. с англ./Под ред.Ю.М.Баяковского.— М.: Мир, 1981, 380с.
8. Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации/ Сред¬
ства ВТ. Система интерфейсов СМ ЭВМ, вып. 1,2,3,4.-1986.
9. Жданович В.М. Конструирование периферийных устройств ЭВА: Схемы и конст¬
рукции: Минск: Вышэйшая школа, 1986, 256с.
10. Заморин А.П.,Мячев А.А.,Селиванов Ю.П. Вычислительные машины, системы,
комплексы: Справочник/ Под ред. Б.Н.Наумова, В.В.Пржиялковского. - М.: Энерго¬
атомиздат, 1985, 264с.
11.Иванов Е.Л.,Степанов И.М.,Хомяков К.С. Периферийные устройства ЭВМ и
систем: — М: Высшая школа, 1987, 319с.
12.Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы. -М.: Энерго¬
атомиздат, 1985, 552с.
13. Кейслер С. Проектирование операционных систем для малых ЭВМ.- М.: Мир,
1986, 680с.
14. Кейтер Дж. Компьютеры — синтезаторы речи: Пер.с англ.—М.:Мир, 1985, 237с.
15. Ковалевский В.А.,Гимельфарб Г.Л.,Возиянов А.Ф. Оптические читающие авто¬
маты/ Под ред. В.А.Ковалевского.- Киев: Техшка, 1980, 207с.
16. Компьютеры: справочное руководство. В 3-х томах. Т.З: Пер.с англ./Под ред.
Г.Хелмса — М.: Мир, 1986, 403с.
17. Котов Е.П., Руденко М.И. Ленты и диски в устройствах магнитной записи.- М.:
Радио и связь, 1986, 223с.
18. Коффрон Дж. Технические средства микропроцессорных систем; Пер. с англ.-М.:
Мир, 1983,344с.
19.Коффрон Дж.,Лонг В. Расширение микропроцессорных систем: Пер. с англ./ Под
ред. П.В.Нестерова.-М.: Машиностроение, 1987, 320с.
20. Краус М.,Каучбах Э.,Зошни О.-Г. Сбор данных в управляющих вычислительных
системах: Пер. с нем.-М.:Мир, 1987, 294с.
21. Ларионов А.М.,Майоров С.А.,Новиков Г.И. Вычислительные комплексы, системы
и сети.— Л.:Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1987, 288с.
22. Лямичев И.Я. Устройства отображения информации с плоскими экранами.- М.:
Радио и связь, 1983, 208с.
23. Методы автоматического распознавания речи: В 2 кн./Под ред. У.Ли./Пер. с
англ.— М.: Мир, 1983, Кн.1. 328с, Кн.2. 392с.
24. Михайлов В.И.,Князев Г.И.,Раков Б.М. Информационные каналы запоминающих
устройств на магнитных дисках.- М.: Энергоатомиздат, 1984, 176с.
333
25. Мячев А.А. Системы ввода-вывода ЭВМ.- М.: Энергоатомиздат, 1983, 168с.
26. Мячев А.А.,Степанов В.Н.,Щербо В.К. Интерфейсы систем обработки данных:
Справочник/ Под ред.А.А.Мячева.-М.:Радио и связь, 1989, 416с.
27. Нешумова К.А. Периферийные устройства ЭВМ.— М.: Машиностроение, 1984,
272с.
28. ОбжелянН.К. Речевое общение в системах человек — ЭВМ. -Кишинев: Штиница,
1985, 176с.
29. Огин Е.Ф. Вычислительные системы обработки изображений.-Л.: Энерго¬
атомиздат, 1989, 136с.
30. Павлидис Т. Алгоритмы машинной графики и обработки изображений: Пер. с
англ.— М.: Радио и связь, 1986, 399с.
31. Пржиялковский В.В.,Ломов Ю.С. Технические и программные средства Единой
системы ЭВМ (ЕС ЭВМ-2) .-М.:Статистика, 1980, 229с.
32. Речь и ЭВМ/ Под ред.Васильева.-М.:Знание, 1989, 63с.
33. Роджерс Д., Адамс Дж. Математические основы машинной графики: Пер.с
англ./Под ред.Ю.И.Топчеева.-М.Машиностроение, 1980, 240с.
34. Савета Н.Н. Периферийные устройства ЭВМ.— М.: Машиностроение, 1987, 304с.
35. Сиаккоу М. Физические основы записи информации.- М.: Связь, 1980, 192с.
36. Саямов Э.А. Средства воспроизведения и отображения информации.- М.: Высшая
школа, 1982, 335с.
37. Афанасьева Г.С., Гринберг В.В., Кац А.М. Система централизованной подготовки
алфавитно-цифровых данных на базе ЕС ЭВМ и дисплейных комплексов.— М.: Финансы
и статистика, 1985, 324с.
38. Справочник проектировщика АСУ ТП/ Под ред. Г.Л.Смилянского.- М.: Машино¬
строение, 1983, 527с.
39. Технические средства АСУ: Справочник. В 2-х томах. Т1. Технические средства
ЕС ЭВМ/ Под общ.ред.Г.Б.Кезлинга.-Л.: Машиностроение, 1986, 544с.
40. Графические средства автоматизации проектирования РЭА /Томашевский Д.И.,
Масютин Г.Г.,Явич А.А., Преснухин В.В.- М.: Советское радио, 1980, 223с.
41. Уткин В.И. Мультиплексоры и процессоры телеобработки данных ЕС ЭВМ.- М.:
Радио и связь, 1987, 232с.
42. Фоли Дж., Вэн Дэм А. Основы интерактивнрой графики. В 2-х книгах/Пер. с
англ.-М.: Мир, 1985, 368с.
43. Флорес А. Внешние устройства ЭВМ/ Пер. с англ.-М.:Мир, 1977, 550с.
44. Хирн Д.,Бейкер М. Микрокомпьютерная графика: Пер. с англ.— М.: Мир, 1987,
352с.
45.Чернов В.Г. Устройства ввода-вывода аналоговой информации для цифровых
систем сбора и обработки данных-М.Машиностроение, 1988, 183с.
46. Шерр С. Электронные дисплеи/ Пер. с англ.— М.: Мир, 1982, 624с.
47. Эшенфельдер А. Физика и техника цилиндрических магнитных доменов.-М.:
Мир, 1983, 496с.
48. Яблонский Ф.М., Троицкий Ю.В. Средства отображения информации.-М.выс¬
шая школа, 1985, 298с.
49. Янсен Й. Курс цифровой электроники. В 4-х томах: Пер. с голл.-М.:Мйр, 1987.
Т.З. Сложные ИС для устройств передачи данных — 412с.
50. Hohenstein L. Computer Peripherals for Minicomputers, Microcomputers and Personal
Computers, 1982, McGrawHill.
51. IBM Journal on Research and Development, 1984,v.28, n.3.
52. MeeC.D., Daniel E.D., Magnetic Recording, v.l: Technology, N.Y. McGrawHill, 1986.
53. Microprocessors Applications Handbook, Ed.by D.Stout, 1982, McGraw Hill.
54. New algorithms, chips bestow human qualities on synthesyzed speech. Technology
Report, Electronic Design, 1985, v.33, n.10, pp. 113-129.
55. Speech resognition builds its vocabulary to handle more tasks. Technology Report.
Electronic Design, 1985, v.33, n.8, pp. 113-124.
56. Teja E.R. Printers, EDN, 1985, v.3, n.4, pp. 157-172.
57. Wilkinson B., Horrocks D. Computer Peripherals.—London, Sydney, Toronto.: Hodder
& Stoughton, 1980, 31 Op.
58. Witten J.H. Communicating with Microcomputers, Academic Press, 1980, 163p.
334
Оглавление
Введение 3
Глава 1. Состав и структура систем ввода-вывода 5
1.1. Переменный состав оборудования и классы ЭВМ . 12
1.2. Классификация и характеристики периферийных устройств 15
1.3. Функции системы ввода-вывода и ее структура 19
1.4. Канал ввода-вывода 29
Контрольные вопросы 36
Глава 2. Интерфейсы систем ввода-вывода 37
2.1. Понятие интерфейса и его характеристики 37
2.2. Организация интерфейсов 40
2.3. Среда интерфейса 52
2.4. Интерфейс ввода-вывода ЕС ЭВМ 58
2.5. Системные интерфейсы мини- и микроЭВМ 64
2.6. Малые интерфейсы периферийных устройств 74
Контрольные вопросы 78
Глава 3. Логическая организация системы ввода-вывода 79
3.1 Логическая организация системы ввода-вывода в ЭВМ общего назначения ... 80
3.2. Организация ввода-вывода в ЕС ЭВМ 84
3.3.Организация ввода-вывода в мини- и микроЭВМ 98
Контрольные вопросы 109
Глава 4. Системы ввода-вывода аналоговых сигналов и связи с объектами управления ..110
4.1. Выбор парамеФров аналого-цифрового преобразования 110
4.2. Компоненты системы ввода-вывода аналоговых сигналов 114
4.3. Структура и управление системы ввода-вывода аналоговых сигналов 127
Контрольные вопросы 131
Глава 5. Устройства и системы ввода-вывода текстовой информации 132
5.1. Кодирование текстовой информации 132
5.2. Устройства ручного ввода 136
5.3. Устройства ввода с промежуточного носителя 141
5.4. Системы автоматического ввода текстовой информации 146
5.5. Устройства регистрации текстовой информации 157
5.6. Устройства отображения текстовой информации 178
5.7. Пульты 192
Контрольные вопросы 194
Глава 6. Устройства и системы ввода-вывода графической информации 195
6.1. Типы графических дисплеев и их структура 195
6.2. Графический дисплей с произвольным сканированием . 197
6.3. Графический дисплей растрового типа 210
6.4. Средства для диалогового взаимодействия 224
335
6.5. Методы и средства ввода графической информации 227
6.6. Методы и средства регистрации графической информации 236
Контрольные вопрсы 239
Глава 7. Системы ввода-вывода речевой информации 241
7.1. Механизмы формирования и восприятия речи человеком 241
7.2. Структура речевого сигнала 243
7.3. Формирование речевых сообщений и устройства вывода речи 245
7.4. Система ввода речевых сообщений 256
Контрольные вопрсы 259
Глава 8. Система внешней памяти 261
8.1. Физические основы регистрации на подвижном носителе 263
8.2. Представление информации на носителе 273
8.3. Внешние запоминающие устройства на подвижном
носителе с прямым доступом * 281
8.4. Внешние запоминающие устройства с последовательным доступом 298
8.5. Основы памяти на цилиндрических магнитных доменах 309
Контрольные вопросы 318
Глава 9. Организация работы периферийных устройств в вычислительных комплексах и
системах 319
9.1. Особенности подключения периферийных устройств к вычислительным
комплексам и системам 319
9.2. Периферийные устройства в системах дистанционной
обработки информации 331
Контрольные вопросы ;. . . .331
Заключение 332
Список литературы 333
Учебное издание
Ларионов Александр Максимович
Горнец Николай Николаевич
Периферийные устройства в вычислительных системах
Заведующая редакцией Н.И.Хрусталева. Редактор С.М.Оводова. Художник
В.В.Гарбузов. Художественный редактор Т.М.Скворцова. Технический редактор
Л.А.Овчинникова, О.В.Дружкова, Е.В.Кумшаева.
ИБ №8799
Изд. № СТД-662. Сдано в набор 22.06.90. Подп. в печать 21. 12. 90. Формат 60x88 Vie .
Бум. офс. №1. Гарнитура Таймс. Печать офсетная. Объем 20,58 уел. печ. л.
20,58 уел. кр.-отт. 21,78 уч.-изд. л. Тираж 31 500 экз. Цена 2 руб. Зак. № 836.
Издательство “Высшая школа”, 101430, Москва, ГСП-4, Неглинная ул., д. 29/14.
Издание подготовлено на персональном компьютере издательства.
Отпечатано в Московской типографии № 8 при Госкомпечати СССР.101898, Москва, Центр,
Хохловский пер., 7.