Архитектура и структура компьютера. — Информатика, информационные технологии

29. Что такое мультимедиа и мультимедиа-компьютер?

Термин “мультимедиа” образован из слов “мульти”
— много, и “медиа” — среда, носитель, средства
сообщения, и в первом приближении его можно перевести как
“многосредность” [47].

Области применения мультимедиа

Технологию мультимедиа составляют две основные компоненты —
аппаратная и программная.

Аппаратные средства мультимедиа

• Основные — компьютер с высокопроизводительным
  процессором, оперативной памятью 64 — 512 Мбайт,
  винчестерским накопителем ёмкостью 40 — 100 Гбайт и выше, накопителем на гибких
  магнитных дисках, манипуляторами, мультимедиа-монитором со встроенными
  стереодинамиками и видеоадаптером SVGA.
• Специальные — приводы CD-ROM; TV-тюнеры и
  фрейм-грабберы; графические акселераторы (ускорители), в том числе, для
  поддержки трёхмерной графики; платы видеовоспроизведения; устройства для
  ввода видеопоследовательностей; звуковые платы с установленными микшерами
  и музыкальными синтезаторами, воспроизводящими звучание реальных музыкальных
  инструментов; акустические системы с наушниками или динамиками и др.

Программные средства мультимедиа

• Мультимедийные приложения — энциклопедии, интерактивные
  курсы обучения по всевозможным предметам, игры и развлечения, работа с
  Интернет, тренажёры, средства торговой рекламы, электронные презентации,
  информационные киоски, установленные в общественных местах и предоставляющие
  различную информацию, и др.
• Cредства создания мультимедийных приложений —
  редакторы видеоизображений; профессиональные графические редакторы; средства
  для записи, создания и редактирования звуковой информации, позволяющие
  подготавливать звуковые файлы для включения в программы, изменять амплитуду
  сигнала, наложить или убрать фон, вырезать или вставить блоки данных на
  каком-то временном отрезке; программы для манипуляции с сегментами
  изображений, изменения цвета, палитры; программы для реализации
  гипертекстов и др.

Технологии мультимедиа

• Телевизионный приём — вывод телевизионных сигналов на
  монитор компьютера на фоне работы других программ.
• Видеозахват — “захват” и “заморозка” в цифровом виде отдельных видеокадров.
• Анимация — воспроизведение последовательности картинок,
  создающее впечатление движущегося изображения.
• Звуковые эффекты — сохранение в цифровом виде звучания
  музыкальных инструментов, звуков природы или музыкальных фрагментов,
  созданных на компьютере, либо записаных и оцифрованых.
• Трёхмерная (3D) графика — графика, создаваемая с помощью
  изображений, имеющих не только длину и ширину, но и глубину.
• Музыка MIDI (Musical Instrument Digital Interface,
  цифровой интерфейс музыкальных инструментов) — стандарт, позволяющий
  подсоединять к компьютеру цифровые музыкальные инструменты, используемые
  при сочинении и записи музыки.
• Виртуальная реальность (Virtual Reality, VR). Слово
  “виртуальный” означает “действующий и проявляющий себя как настоящий”.

Виртуальная реальность — это
высокоразвитая форма компьютерного моделирования, которая позволяет
пользователю погрузиться в модельный мир и непосредственно действовать в
нём. Зрительные, слуховые, осязательные и моторные ощущения
пользователя при этом заменяются их имитацией, генерируемой компьютером.

Признаки устройств виртуальной реальности: моделирование в реальном
масштабе времени; имитация окружающей обстановки с высокой степенью
реализма; возможность воздействовать на окружающую обстановку и иметь при
этом обратную связь.

Пример использования виртуальной реальности: архитектурно-строительная
компания использует программное обеспечение, позволяющее заказчикам
“посетить” виртуальный образ будущего архитектурного сооружения задолго до
того, как будет начато строительство.

15. Что такое принтер, плоттер, сканер?

Существуют тысячи наименований принтеров. Но основных видов принтеров три:
матричные, лазерные и струйные.

Матричный символ

·Матричные принтеры используют комбинации маленьких штырьков, которые
бьют по красящей ленте, благодаря чему на бумаге остаётся отпечаток символа.
Каждый символ, печатаемый на принтере, формируется из набора 9, 18 или 24 игл,
сформированных в виде вертикальной колонки. Недостатками этих недорогих
принтеров являются их шумная работа и невысокое качество печати.

·Лазерные принтеры работают примерно так же, как ксероксы. Компьютер
формирует в своей памяти «образ» страницы текста и передает его
принтеру. Информация о странице проецируется с помощью лазерного луча на
вращающийся барабан со светочувствительным покрытием, меняющим электрические
свойства в зависимости от освещённости.

Лазерный принтер

После засветки на барабан, находящийся под электрическим напряжением,
наносится красящий порошок — тонер, частицы которого
налипают на засвеченные участки поверхности барабана. Принтер с помощью
специального горячего валика протягивает бумагу под барабаном; тонер
переносится на бумагу и «вплавляется» в неё, оставляя стойкое
высококачественное изображение. Цветные лазерные принтеры
пока очень дороги.

·Струйные принтеры генерируют символы в виде последовательности
чернильных точек. Печатающая головка принтера имеет крошечные
сопла, через которые на страницу выбрызгиваются быстросохнущие
чернила.

Принтер связан с компьютером посредством кабеля принтера, один конец
которого вставляется своим разъёмом в гнездо принтера, а другой —
в порт принтера компьютера. Порт — это разъём, через
который можно соединить процессор компьютера с внешним устройством.

Каждый принтер обязательно имеет свой
драйвер — программу,
которая способна переводить (транслировать) стандартные команды печати
компьютера в специальные команды, требующиеся для каждого принтера.

Роликовый плоттер

Плоттеры используются для получения сложных конструкторских чертежей,
архитектурных планов, географических и метеорологических карт, деловых схем.
Плоттеры рисуют изображения с помощью пера.

Роликовые плоттеры прокручивают бумагу под пером, а планшетные
плоттеры перемещают перо через всю поверхность горизонтально лежащей
бумаги.

Плоттеру, так же, как и принтеру, обязательно нужна специальная
программа — драйвер,
позволяющая прикладным программам передавать ему инструкции: поднять и
опустить перо, провести линию заданной толщины и т.п.

Планшетный сканер

Если принтеры выводят информацию из компьютера, то сканеры, наоборот,
переносят информацию с бумажных документов в память компьютера.
Существуют ручные сканеры, которые прокатывают по поверхности документа
рукой, и планшетные сканеры, по внешнему виду напоминающие
копировальные машины.

Если при помощи сканера вводится текст, компьютер воспринимает его
как картинку, а не как последовательность символов. Для преобразования
такого графического текста в обычный символьный формат используют
программы оптического распознавания образов.

14. Что такое видеосистема компьютера?

Видеосистема компьютера состоит из трех компонент:

• монитор (называемый также дисплеем);
• видеоадаптер;
• программное обеспечение (драйверы видеосистемы).

Видеоадаптер посылает в монитор сигналы управления
яркостью лучей и синхросигналы строчной и кадровой развёрток.
Монитор преобразует эти сигналы в зрительные образы.
А программные средства обрабатывают видеоизображения
— выполняют кодирование и декодирование сигналов, координатные
преобразования, сжатие изображений и др.

Рис. 2.14. Монитор

Подавляющее большинство мониторов сконструированы на базе
электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), и принцип их работы аналогичен
принципу работы телевизора. Мониторы бывают алфавитно-цифровые и графические,
монохромные и цветного изображения. Современные компьютеры комплектуются,
как правило, цветными графическими мониторами.

Монитор на базе электронно-лучевой трубки

Основной элемент дисплея — электронно-лучевая трубка. Её передняя, обращенная к зрителю часть с внутренней стороны покрыта
люминофором — специальным веществом, способным излучать свет
при попадании на него быстрых электронов.

Рис. 2.15. Схема электронно-лучевой трубки

Люминофор наносится в виде наборов точек трёх основных цветов —
красного, зелёного и синего.
Эти цвета называют основными, потому что их сочетаниями (в различных
пропорциях) можно представить любой цвет спектра.

Рис. 2.16. Пиксельные триады

Наборы точек люминофора располагаются по треугольным триадам. Триада
образует пиксел — точку, из которых формируется
изображение (англ. pixel — picture element, элемент картинки).

Расстояние между центрами пикселов называется точечным шагом
монитора. Это расстояние существенно влияет на чёткость
изображения. Чем меньше шаг, тем выше чёткость. Обычно в цветных
мониторах шаг составляет 0,24 мм. При таком шаге глаз человека
воспринимает точки триады как одну точку «сложного» цвета.

На противоположной стороне трубки расположены три (по количеству
основных цветов) электронные пушки. Все три пушки
«нацелены» на один и тот же пиксел, но каждая из них излучает поток
электронов в сторону «своей» точки люминофора. Чтобы электроны
беспрепятственно достигали экрана, из трубки откачивается воздух, а между
пушками и экраном создаётся высокое электрическое напряжение, ускоряющее
электроны.

Перед экраном на пути электронов ставится маска
— тонкая металлическая пластина с большим количеством отверстий,
расположенных напротив точек люминофора. Маска обеспечивает попадание
электронных лучей только в точки люминофора соответствующего цвета.

Рис. 2.17. Ход электронного пучка по экрану

Величиной электронного тока пушек и, следовательно, яркостью
свечения пикселов, управляет сигнал, поступающий с видеоадаптера.

На ту часть колбы, где расположены электронные пушки, надевается
отклоняющая система монитора, которая заставляет
электронный пучок пробегать поочерёдно все пикселы строчку за строчкой
от верхней до нижней, затем возвращаться в начало верхней строки и т.д.

Количество отображённых строк в секунду называется строчной
частотой развертки. А частота, с которой меняются кадры
изображения, называется кадровой частотой развёртки.
Последняя не должна быть ниже 85 Гц, иначе изображение будет
мерцать.

Жидкокристаллические мониторы

Все шире используются наряду с традиционными ЭЛТ-мониторами.
Жидкие кристаллы — это особое состояние
некоторых органических веществ, в котором они обладают текучестью и свойством
образовывать пространственные структуры, подобные кристаллическим.

Жидкие кристаллы могут изменять свою структуру и светооптические свойства под
действием электрического напряжения. Меняя с помощью электрического
поля ориентацию групп кристаллов и используя введённые в жидкокристаллический
раствор вещества, способные излучать свет под воздействием электрического
поля, можно создать высококачественные изображения, передающие более
15 миллионов цветовых оттенков.

Большинство ЖК-мониторов использует тонкую плёнку из жидких кристаллов,
помещённую между двумя стеклянными пластинами. Заряды передаются через так
называемую пассивную матрицу — сетку невидимых
нитей, горизонтальных и вертикальных, создавая в месте пересечения нитей
точку изображения (несколько размытого из-за того, что заряды проникают в
соседние области жидкости).

Рис. 2.18. Жидкокри-

сталлический монитор

Активные матрицы вместо нитей используют прозрачный
экран из транзисторов и обеспечивают яркое, практически не имеющее искажений
изображение. Экран при этом разделен на независимые ячейки, каждая из которых
состоит из четырех частей (для трёх основных цветов и одна резервная).

Количество таких ячеек по широте и высоте экрана называют разрешением экрана.
Современные ЖК-мониторы имеют разрешение 642х480, 1280х1024 или 1024х768.
Таким образом, экран имеет от 1 до 5 млн точек, каждая из которых управляется
собственным транзистором.

По компактности такие мониторы не знают себе равных. Они занимают в 2 — 3
раза меньше места, чем мониторы с ЭЛТ и во столько же раз легче; потребляют
гораздо меньше электроэнергии и не излучают электромагнитных волн,
воздействующих на здоровье людей.

Сенсорный экран

Рис. 2.19. Сенсорный экран

Общение с компьютером осуществляется путём прикосновения пальцем
к определённому месту чувствительного экрана. Этим выбирается необходимый
режим из меню, показанного на экране монитора. (Меню — это выведенный на экран монитора список различных
вариантов работы компьютера, по которому можно сделать конкретный выбор.)

10. Какие устройства образуют внешнюю память?

Внешняя память (ВЗУ) предназначена для длительного хранения программ
и данных, и целостность её содержимого не зависит от того, включен или
выключен компьютер. В отличие от оперативной памяти, внешняя память
не имеет прямой связи с процессором. Информация от ВЗУ к процессору
и наоборот циркулирует примерно по следующей цепочке:

В состав внешней памяти компьютера входят:

• накопители на жёстких магнитных дисках;
• накопители на гибких магнитных дисках;
• накопители на компакт-дисках;
• накопители на магнито-оптических компакт-дисках;
• накопители на магнитной ленте (стримеры) и др.

Накопители на гибких магнитных дисках

Устройство дискеты

Дискета состоит из круглой полимерной подложки, покрытой с обеих сторон
магнитным окислом и помещенной в пластиковую упаковку, на внутреннюю
поверхность которой нанесено очищающее покрытие. В упаковке сделаны с двух
сторон радиальные прорези, через которые головки считывания/записи накопителя
получают доступ к диску.

Способ записи двоичной информации на магнитной среде называется
магнитным кодированием. Он заключается в том, что
магнитные домены в среде выстраиваются вдоль дорожек в направлении
приложенного магнитного поля своими северными и южными полюсами.
Обычно устанавливается однозначное соответствие между двоичной
информацией и ориентацией магнитных доменов.

Информация записывается по концентрическим дорожкам
(трекам), которые делятся на секторы. Количество
дорожек и секторов зависит от типа и формата дискеты. Сектор хранит
минимальную порцию информации, которая может быть записана на диск или
считана. Ёмкость сектора постоянна и составляет 512 байтов.

Рис. 2.7. Поверхность
магнитного диска

В настоящее время наибольшее распространение получили дискеты со
следующими характеристиками: диаметр 3,5 дюйма (89 мм), ёмкость 1,44
Мбайт, число дорожек 80, количество секторов на дорожках 18.

Дискета устанавливается в накопитель на гибких магнитных
дисках (англ. floppy-disk drive),
автоматически в нем фиксируется, после чего механизм накопителя
раскручивается до частоты вращения 360 мин-1.

В последнее время появились трехдюймовые дискеты, которые могут хранить
до 3 Гбайт информации. Они изготовливаются по новой технологии
Nano2 и требуют специального оборудования для чтения и записи.

Накопители на жестких магнитных дисках

Если гибкие диски — это средство переноса данных между компьютерами,
то жесткий диск — информационный склад компьютера.

Рис. 2.8. Винчестерский накопитель

со снятой крышкой корпуса

Как и у дискеты, рабочие поверхности платтеров разделены на
кольцевые концентрические дорожки, а дорожки — на секторы.
Головки считывания-записи вместе с их несущей конструкцией и дисками
заключены в герметически закрытый корпус, называемый модулем
данных.

  При установке модуля данных на дисковод он автоматически
соединяется с системой, подкачивающей очищенный охлажденный воздух.
  Поверхность платтера имеет магнитное покрытие
толщиной всего лишь в 1,1 мкм, а также слой смазки для
предохранения головки от повреждения при опускании и подъёме на ходу.

Винчестерские накопители имеют очень большую ёмкость:
от 10 до 100 Гбайт. У современных моделей скорость вращения шпинделя
(вращающего вала) обычно составляет 7200 об/мин, среднее время поиска данных 9 мс,
средняя скорость передачи данных до 60 Мбайт/с.

В отличие от дискеты, жесткий диск вращается непрерывно.
Все современные накопители снабжаются встроенным кэшем
(обычно 2 Мбайта), который существенно повышает их производительность.

Винчестерский накопитель связан с процессором через контроллер
жесткого диска.

Накопители на компакт-дисках

Здесь носителем информации является CD-ROM (Сompact Disk Read-Only Memory —
компакт диск, из которого можно только читать).

CD-ROM представляет собой прозрачный полимерный диск диаметром 12 см и
толщиной 1,2 мм, на одну сторону которого напылен светоотражающий слой
алюминия, защищенный от повреждений слоем прозрачного лака. Толщина
напыления составляет несколько десятитысячных долей миллиметра.

Информация на диске представляется в виде последовательности впадин
(углублений в диске) и выступов
(их уровень соответствует поверхности диска),
расположеных на спиральной дорожке, выходящей из области вблизи оси диска.

На каждом дюйме (2,54 см) по радиусу диска размещается 16 тысяч витков
спиральной дорожки.

CD-ROM обладают высокой удельной информационной емкостью, что позволяет
создавать на их основе справочные системы и учебные комплексы с большой
иллюстративной базой. Один CD по информационной емкости равен почти 500
дискетам. Cчитывание информации с CD-ROM происходит с достаточно высокой
скоростью, хотя и заметно меньшей, чем скорость работы накопителей на
жестком диске.

В отличие от магнитных дисков, компакт-диски имеют не множество кольцевых
дорожек, а одну — спиральную, как у грампластинок. В
связи с этим, угловая скорость вращения диска не постоянна. Она линейно
уменьшается в процессе продвижения читающей лазерной головки к краю
диска.

Рис. 2.9. Накопитель CD-ROM

Для работы с CD-ROM нужно подключить к компьютеру накопитель CD-ROM
(рис. 2.9), преобразующий последовательность углублений и выступов на
поверхности CD-ROM в последовательность двоичных сигналов.
Для этого используется считывающая головка с микролазером и светодиодом.

Глубина впадин на поверхности диска равна четверти длины волны лазерного
света. Если в двух последовательных тактах считывания информации луч
света лазерной головки переходит с выступа на дно впадины или обратно,
разность длин путей света в этих тактах меняется на полуволну, что
вызывает усиление или ослабление совместно попадающих на светодиод
прямого и отраженного от диска света.

Если в последовательных тактах считывания длина пути света не меняется,
то и состояние светодиода не меняется. В результате ток через светодиод
образует последовательность двоичных электрических сигналов,
соответствующих сочетанию впадин и выступов на дорожке.

Профиль дорожки CD-ROM

>        Различная длина оптического пути луча света в двух последовательных тактах
считывания информации соответствует двоичным единицам. Одинаковая длина
соответствует двоичным нулям.

Сегодня почти все персональные компьютеры имеют накопитель CD-ROM.
Но многие мультимедийные интерактивные программы слишком велики,
чтобы поместиться на одном CD. На смену технологии СD-ROM стремительно
идет технология цифровых видеодисков DVD.

Эти диски имеют
тот же размер, что и обычные CD, но вмещают до 17 Гбайт данных, т.е.
по объему заменяют 20 стандартных дисков CD-ROM. На таких дисках
выпускаются мультимедийные игры и интерактивные видеофильмы отличного
качества, позволяющие зрителю просматривать эпизоды под разными углами
камеры, выбирать различные варианты окончания картины, знакомиться
с биографиями снявшихся актеров, наслаждаться великолепным качеством звука.

Записывающие оптические и магнитооптические накопители

·Записывающий накопитель CD-R (Compact Disk Recordable) способен,
наряду с прочтением обычных компакт-дисков, записывать информацию на
специальные оптические диски емкостью 650 Мбайт.
В дисках CD-R отражающий слой выполнен из золотой пленки.

Между этим слоем 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 впадинам.
Накопители CD-R, благодаря сильному удешевлению, приобретают все
большее распространение.

Рис.2.10. Накопитель CD-MO

·Накопитель на магнито-оптических компакт-дисках СD-MO (Compact
Disk — Magneto Optical) (рис. 2.10). Диски СD-MO можно многократно использовать для
записи. Ёмкость от 128 Мбайт до 2,6 Гбайт.

·Записывающий накопитель CD-R (Compact Disk Recordable) способен,
наряду с прочтением обычных компакт-дисков, записывать информацию на
специальные оптические диски. Ёмкость 650 Мбайт.

·Накопитель WARM (Write And Read Many times), позволяет производить
многократную запись и считывание.

Накопители на магнитной ленте (стримеры) и накопители на сменных дисках

Рис. 2.11. Накопитель
на сменных дисках

Стримеры позволяют записать на небольшую кассету с магнитной лентой
огромное количество информации. Встроенные в стример средства
аппаратного сжатия позволяют автоматически уплотнять информацию перед её
записью и восстанавливать после считывания, что увеличивает объём
сохраняемой информации.

Недостатком стримеров является их сравнительно низкая скорость
записи, поиска и считывания информации.

В последнее время всё шире используются накопители на сменных
дисках, которые позволяют не только увеличивать объём хранимой
информации, но и переносить информацию между компьютерами. Объём сменных
дисков — от сотен Мбайт до нескольких Гигабайт.

Архитектура персонального компьютера