Московский государственный университет печати

Андреев Ю.С., Макеева Т.А., Пухова Е.А.


         

Технические средства компьютерных систем

Лабораторные работы для студентов, обучающихся по специальности 261202.65 - «Технология полиграфического производства»


Андреев Ю.С., Макеева Т.А., Пухова Е.А.
Технические средства компьютерных систем
Начало
Печатный оригинал
Об электронном издании
Оглавление
1.

Лабораторная работа № 1. ИЗУЧЕНИЕ АРХИТЕКТУРЫ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА И ЕГО ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

1.1.

Цель работы

1.2.

Содержание работы

1.3.

Теоретическое обоснование

1.4.

Методика и порядок выполнения работы

1.5.

Содержание отчета

2.

Лабораторная работа № 2. ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ СИСТЕМЫ ПАМЯТИ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА

2.1.

Цель работы

2.2.

Содержание работы

2.3.

Теоретическое обоснование

2.4.

Методика и порядок выполнения работы

2.5.

Содержание отчета

3.

Лабораторная работа № 3. ИЗУЧЕНИЕ КОНСТРУКЦИИ УСТРОЙСТВ ДИСКОВЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА

3.1.

Цель работы

3.2.

Содержание работы

3.3.

Теоретическое обоснование

3.3.1.

Принцип действия дисковых накопителей

3.3.2.

Накопители на жестких магнитных дисках

3.3.3.

Накопители на оптических дисках

3.3.4.

Оптические носители

3.3.5.

Флэш-память

3.3.6.

Перспективные разработки в области совершенствования технологии записи на компакт-диски

3.4.

Методика и порядок выполнения работы

3.5.

Содержание и форма отчета

4.

Лабораторная работа № 4. ИЗУЧЕНИЕ КОНСТРУКЦИИ ВИДЕОСИСТЕМЫ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА

4.1.

Цель работы

4.2.

Содержание работы

4.3.

Теоретическое обоснование

4.3.1.

Мониторы

4.3.2.

Видеоадаптер

4.4.

Методика выполнения работы

4.5.

Содержание отчета

Указатели
12   указатель иллюстраций
Рис. 3.1. Схема устройства дискового накопителя Рис. 3.2. Конструкция винчестера Рис. 3.3. Строение компакт-диска Рис. 3.4. Микрофотография поверхности диска: а - CD-ROM; б - DVD Рис. 3.5. Строение диска DVD: а - односторонний однослойный диск; б - однослойный двусторонний; в - двухслойный односторонний; г - двухслойный двусторонний диск

Продолжительность работы - 2 часа

Изучить конструкции дисковых накопителей - накопителей на жестком магнитном диске, оптических накопителей информации и оптических носителей информации.

Изучение принципов построения устройств накопителей персонального компьютера. Ознакомление с основными техническими характеристиками устройств внешней памяти персонального компьютера.

В состав устройств персонального компьютера входят устройства памяти, для которых время доступа к информации является относительно медленным и составляет миллисекунды, тогда как для элементов оперативной памяти - наносекунды, но зато эта информация энергонезависима (сохраняется после отключения компьютера). В течение длительного времени данные хранятся, могут архивироваться, могут использоваться для внесистемного переноса информации при обмене информацией между компьютерами.

Несмотря на большое разнообразие физических носителей и принципов записи-считывания информации, дисковые накопители информации имеют принципиально одинаковое устройство (рис. 3.1 Рис. 3.1. Схема устройства дискового накопителя).

Диски представляют собой гибкие или жесткие пластины, на рабочую поверхность которых нанесен слой носителя информации. Для считывания и записи информации диск вращается с требуемой частотой при помощи шпинделя. Информация на диске располагается на концентрических дорожках - треках, разбитых на секторы. Для правильной адресации информации на диске имеется индексный маркер, который в совокупности со специальным датчиком обеспечивает возможность определения начала и конца каждой дорожки.

Для записи-считывания информации используются головки записи-считывания. Накопитель может иметь две рабочие стороны. Для каждой стороны (рабочей поверхности) должны быть установлены своя считывающая и записывающая головка (если предусмотрена конструкцией). Во избежание повреждения магнитной головки и рабочей поверхности диска при высокой частоте вращения головки не касаются поверхности диска и находятся на некотором расстоянии. Потенциальную угрозу для накопителя информации представляют собой частицы грязи, которые могут попадать в этот зазор, поэтому в винчестерах предусмотрено наличие системы фильтрации, которая выравнивает давление воздуха между дисководом и окружающей средой, а также удаляет частицы, образованные в процессе работы устройств.

Для поиска трека происходит возвратно-поступательное движение головки считывания-записи по траектории, близкой к направлению радиуса диска. Считываемая информация поступает в контроллер дисковода, который осуществляет кодирование и декодирование информации. Для записи и считывания информации используются различные методы частотной и фазовой модуляции, при этом применяются магнитные и оптические носители.

Накопитель на жестких магнитных дисках HDD (Hard Disk Drive, HDD) является одним из основных элементов постоянной внутренней памяти компьютера. В технической литературе известно иное название этих устройств - винчестер. Типовой винчестер состоит из гермоблока и платы электроники (рис. 3.2 Рис. 3.2. Конструкция винчестера).

В гермоблоке размещены все механические части, на плате - вся управляющая электроника, за исключением предусилителя, размещенного внутри гермоблока в непосредственной близости от головок. В гермоблоке установлен шпиндель с несколькими расположенными друг над другом дисками. Диски изготовлены чаще из алюминия, реже из керамики или стекла, и покрыты тонким слоем окиси хрома.

Под дисками расположен двигатель дискового пакета, который приводит этот пакет во вращение. Чтобы не нарушалась постоянная скорость вращения привода, винчестер всегда должен располагаться в горизонтальном или вертикальном положении. Скорость вращения зависит от модели и составляет несколько тысяч оборотов в минуту. Движением головок по дуге между центром и периферией дисков управляет поворотный позиционер. Головки работают на воздушной подушке и должны прижиматься при считывании и записи с зазором 0,1-0,05 мкм. При вращении дисков создается сильный поток воздуха, который циркулирует по периметру гермоблока и постоянно очищается фильтром, установленном на одной из его сторон.

Электроника винчестера выполняет функцию передачи сигналов к контроллеру, отвечает за преобразование информации при считывании-записи и осуществляет связь с оперативной памятью.

С помощью специальных программ постоянно контролируется состояние механических элементов винчестера, и при необходимости данные, которым угрожает случайное уничтожение, перезаписываются в другие места на магнитных дисках, а в случае появления предпосылок для катастрофического отказа механики винчестера программа защиты данных предупредит пользователя о необходимости замены винчестера.

К основным свойствам винчестеров можно отнести:

1) емкость, исчисляемая от десятков до тысяч Гб;

2) малое время доступа, составляющее миллисекунды;

3) используемый интерфейс (IDE, SATA, PCI).

Лазерные оптические диски - компакт-диски (compact disk, CD) успешно вытеснили гибкие магнитные и магнитооптические диски. Этому способствовало несколько факторов. В первую очередь - пластмассовый компакт-диск очень просто изготавливается и имеет незначительную стоимость. Ко всему прочему, устройства считывания-записи (дисководы, которые часто называют приводами компакт-дисков), необычайно просто интегрировались в архитектуру персонального компьютера, так как подключались аналогично винчестерам.

Современный привод компакт-дисков, независимо от стандарта записи, выполняется в виде блока, вставляемого в 5,25-дюймовый отсек компьютера. В целях миниатюризации ряд компаний выпускает так называемые суперплоские приводы Slim, которые, как правило, используются в ноутбуках. Для различных применений используются внешние приводы компакт-дисков, смонтированные в отдельном корпусе самых разнообразных конструкций. Приводы компакт-дисков могут монтироваться как в горизонтальном положении, когда диск свободно ложится в лоток, так и в вертикальном положении. Для последнего случая лоток снабжается защелками, не позволяющими компакт-диску выпасть из лотка. Приводы компакт-дисков разных форматов имеют соответствующую технологии записи маркировку.

Вытеснению гибких магнитных и магнитооптических дисков способствовало главным образом появление технологий записи и перезаписи компакт-дисков, которые доступны самим пользователям компьютеров. Следует также отметить, что в области долговременного архивирования данных пока нет серьезных соперников компакт-дискам.

Записанная информация хранится в цифровой форме в виде последовательности чисел, выраженных в двоичном коде (0 или 1), и представляется чередованием ямок и бугорков (питов) переменной длины. Существуют стандарты компьютерных дисков только для чтения CD-ROM (Compact Disk Read-Only Memory), для записи CD-R (CD-Recordable), для перезаписи CD-RW (CD-ReWritable) и DVD (Digital Versatile Disc).

Для однократной записи используются так называемые «болванки», структура которых показана на рис. 3.3 Рис. 3.3. Строение компакт-диска. Отражающий слой выполнен преимущественно из золотой или серебряной пленки, а между ним и поликарбонатной основой расположен регистрирующий слой из органического материала, темнеющего при нагревании.

В процессе записи лазерный луч нагревает выбранные точки слоя, которые темнеют и перестают пропускать свет к отражающему слою, образуя участки, аналогичные питам (рис. 3.4 Рис. 3.4. Микрофотография поверхности диска: а - CD-ROM; б - DVD).

В перезаписываемых дисках во время процесса записи интенсивный лазерный луч фокусируется на диске. При этом используется регистрирующий слой из органической пленки, изменяющий под воздействием нагрева лучом свое фазовое состояние. При записи после нагревания свыше критической температуры (точка Кюри) материал регистрирующего слоя переходит в аморфное состояние и остается в нем после остывания, для перезаписи при нагреве до температуры ниже критической материал восстанавливает свое первоначальное (кристаллическое) состояние, в результате чего меняется прозрачность слоя.

В качестве регистрирующего слоя для дисков CD-R наиболее распространены органические соединения, известные под названием «цианин» (Cyanine) и «фталоцианин» (Phtalocyanine). Цианин имеет голубой цвет (от которого и происходит название материала, не имеющего ничего общего с цианидами - химическими производными циановодорода) и характеризуется средней стойкостью к облучению светом и перепадам температуры. Фталоцианин имеет золотистый цвет и значительно более стоек к внешним воздействиям.

Как и CD-ROM, диски DVD хранят данные за счет расположения питов-насечек вдоль спиральных треков на отражающей металлической поверхности. В устройствах чтения DVD дисков используется лазер, луч которого скользит вдоль треков по питам, а отраженный луч интерпретируется приемным устройством в виде единиц или нулей.

Лазер в устройстве CD имеет длину волны излучения 780 нм, а в устройствах DVD используется лазер с длиной волны 650 нм или 635 нм, что позволяет создать в два раза больше питов на одном треке, и в два раза больше треков, расположенных на одной записанной поверхности.

Появление формата DVD ознаменовало переход на более высокий уровень в области хранения и использования данных, звука и видео. Аббревиатура DVD расшифровывается как digital versatile disc, т.е. универсальный цифровой диск. Диски DVD могут хранить больше данных по сравнению с обычным CD-ROM и могут быть:

  • односторонние и двусторонние;
  • однослойные и двухслойные (рис. 3.5 Рис. 3.5. Строение диска DVD: а - односторонний однослойный диск; б - однослойный двусторонний; в - двухслойный односторонний; г - двухслойный двусторонний диск).

Стандартный однослойный, односторонний диск DVD может хранить 4,7 Гб данных. DVD могут изготавливать по двухслойному стандарту, который позволяет увеличить емкость хранимых на одной стороне данных до 8,5 Гб. Двухсторонние DVD диски могут иметь емкость диска до 17 Гб.

В настоящее время самым популярным накопителем для переноса данных больших объемов является флэш-память - Flash Erase EEPROM (Electronically Erasable Programmable ROM), что обычно переводят как «быстро электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство». Преимущества этого накопителя информации по сравнению с другими средствами переноса и хранения данных очевидны: энергонезависимость, достаточная долговечность памяти, а также высокая надежность и ударопрочность.

Флэш-память выпускается во множестве разновидностей или форм-факторов. Если для всех вышеперечисленных накопителей на ПК должно стоять специальное устройство, то USB-флэш-память - это принципиально новый тип накопителей. По форме напоминает брелок продолговатой формы, состоящий из двух половинок - защитного колпачка и собственно накопителя с USB-разъемом (внутри него размещаются микросхемы с памятью и контроллером). Практически все «флэшки» базируются на микросхемах. Объем памяти зависит от того, какое количество чипов заложено в корпус. Объем в настоящее время может составлять до нескольких десятков Гб.

Дальнейшее развитие технологии записи на компакт-диски пошло по пути использования «голубых» лазеров, что позволяет поднять объем данных от 17 до 27 Гб (то есть довести до 54 Гб для двусторонних дисков). В настоящее время пользователям предлагается два конкурирующих стандарта - Blu-Ray («голубой луч») и HD-DVD (High Definition DVD - DVD высокой четкости).

Основная причина, которая заставляет производителей внедрять технологии Blu-Ray и HD-DVD - это видеоформат высокого разрешения HD. Если в обычном видеокадре насчитывается 525 строк развертки в изображении, то кадр изображения с высокой четкостью содержит от 720 до 1080 строк развертки.

Оба формата несовместимы, но двумя группами производителей были разработаны довольно похожие друг на друга новые стандарты компакт-дисков с чтением-записью голубым лазером. Уменьшение длины волны (405 нм вместо 650 нм в DVD) позволило уменьшить дифракцию, а это обеспечивает более точную фокусировку на поверхности чтения-записи, мелкие питы и уменьшение расстояния между дорожками.

Компакт-диск HD-DVD по конструкции аналогичен традиционному компакт-диску DVD и состоит из двух соединенных оборотными сторонами подложек диаметром 120 мм и толщиной 0,6 мм. У компакт-диска может быть до трех слоев по 15 Гб для записи данных, что дает в сумме 45 Гб или до 12 часов записи в формате HD.

Компакт-диск Blu-Ray имеет толщину всего 0,1 мм (остальные размеры аналогичны DVD), может иметь до двух слоев по 25 Гб для записи данных или 9 часов видео HD. Для обоих форматов используются приводы компакт-дисков, по габаритам и внешнему виду аналогичные приводам DVD.

Регулярно поступают сообщения о новых технологиях, в частности о многослойных оптических дисках и голографической записи.

Голографическая запись тоже базируется на принципах оптической записи. Основное отличие от традиционных оптических дисков заключается в том, что для записи информации используется не поверхность и даже не набор слоев, а весь объем носителя. Из-за этого плотность записи получается достаточно высокой: до 1 Тб в 1 <?xml version="1.0"?>
.

В перспективе возможно использование многослойных флуоресцентных оптических дисков (FMD - Fluorescent Multilayer Disk), которые имеют размер стандартного диска CD, но вмещают до Тб данных. При этом скорость чтения с них может достигать до 1 Гб/сек. Разработчики утверждают, что используя синий лазер (480 нм), можно увеличить плотность записи до десятков Тб на один FM диск. В отличие от обычного компакт-диска, FMD совершенно прозрачны. В основе работы флуоресцентных дисков лежит совершенно другой принцип работы, нежели у CD и DVD. В FMD принимается не отраженный от непрозрачной подложки свет, а испускаемый веществом диска под воздействием лазера, то есть флуоресцентный. Другое отличие - FMD-диски имеют несколько десятков слоев, но планируется довести их до 1000.

3.4.1. Ознакомиться с принципами построения устройств накопителей данных персонального компьютера.

3.4.2. Ознакомиться с основными техническими характеристиками устройств внешней памяти персонального компьютера.

3.4.3. Охарактеризовать оптические накопители информации (из числа предложенных преподавателем), данные внести в табл. 3.1.

3.5.1. Название, цель, содержание работы, дата ее выполнения.

3.5.2. Краткая характеристика изучаемых устройств накопителей данных персонального компьютера.

3.5.3. Схемы строения накопителей информации.

3.5.4. Основные параметры оптических накопителей информации (табл. 3.1).

3.5.5. Выводы по работе.

Номер п/п

Таблица 3.1

Номер п/п Цвет регистрирующего слоя Объем записываемой информации Количество слоев
и сторон записи
Аббревиатура оптического носителя информации
1 2 3 4 5
         

© Центр дистанционного образования МГУП