И краткая характеристика его составных частей

 

Более чем за 50 лет развития современной вычислительной техники прогресс в аппаратной реализации компьютеров и их технических характеристиках превзошел все мыслимые прогнозы, и пока не замечено снижение темпов развития этой области техники. Но несмотря на большое разнообразие современных компьютеров, которые внешне резко отличаются от первых моделей 50-х годов, основополагающие идеи, связанные с понятием алгоритма, разработанным Аланом Тьюрингом, и с конструкцией (или архитектурной реализацией), предложенной фон Нейманом, пока не претерпели коренных изменений.

С самых общих позиций любой компьютер может быть рассмотрен в виде блоков (рис. 1.2).

 

 

 

Рис. 1.2. Блок-схема оборудования компьютера:

УВВ – устройство ввода-вывода; ОП – оперативная память;

АЛУ – арифметико-логическое устройство; УУ – устройство управления

 

Оперативная (основная Main Memory) память (ОП), или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) – пассивное устройство, являющееся непосредственным местом хранения программ и обрабатываемых по этим программам данных. Говоря о запоминающих устройствах, необходимо отметить, что они не ограничиваются оперативной памятью, представляя собой систему, которая наряду с центральным процессором относится к тем критическим узлам, которые оказывают решающее влияние на его производительность. Эта подсистема построена по иерархическому принципу. Каждый уровень отличается от соседнего как быстродействием, так и объемом, причем быстродействие от уровня к уровню уменьшается, а объем увеличивается. На верхних уровнях иерархии (выше ОП) находятся сверхоперативные запоминающие устройства (СОЗУ), работающие в составе центрального процессора, а на нижнем уровне – внешние запоминающие устройства (или внешняя память) на уровне устройств ввода-вывода (УВВ).

Между ОП и центральным процессором, а также между внешней памятью и ОП может находиться так называемая кэш-память (Cache) небольшой емкости и со значительно меньшим временем обращения, чем память нижнего уровня. Явная необходимость в кэш-памяти при проектировании массовых центральных процессоров (ЦП) появилась в 1990 г., когда тактовая частота ЦП значительно превысила частоту системных шин и, в частности, шины памяти.

Справедливости ради следует отметить, что необходимость в промежуточной (Cach - кэш) памяти появилась намного раньше (в 60-х годах прошлого столетия). Причина появления этого типа полупроводниковой памяти заключалась в том, что технология производства вращающихся дисков не выдерживала темпов роста быстродействия процессоров. «Подкачка» информации с дисков была связана, естественно, с ограниченными возможностями ОП.

Так, при частотах ЦП, достигших к 2006 г. 4 ГГц, частота выборки данных из ОП не превышала 200 МГц. В этой ситуации при прямом обращении к памяти функциональные устройства ЦП значительную часть времени простаивают, ожидая доставки данных. В какой-то степени проблемы быстродействия ОП могут быть решены увеличением разрядности шины памяти, однако этот путь имеет ограничения, связанные со значительным усложнением системной платы. В связи с этим эффективной альтернативы кэш-памяти в современных вычислительных системах не существует. Функционально кэш-память, так же как и основная, идентичны, являясь оперативным запоминающим устройством, с которым, непосредственно, взаимодействует ЦП. Когда необходимые данные ЦП не находит в кэш-памяти (кэш-промах) он обращается к ОП.

Следует отметить, что использование промежуточной памяти, которую также называют кэш, появилось значительно раньше (описанной выше) еще в первых суперкомпьютерах. Она размещалась между внешней памятью (дисковой) и ОП (иногда она называлась электронными дисками). Появление такой кэш-памяти было связано с тем, что скорость считывания данных с дисков отставала от потребности в «подкачке» данных в ОП из-за роста быстродействия ЦП.

Таким образом, в сбалансированной системе эффективность кэширования может быть достаточной для того, чтобы подсистема памяти в целом оказалась весьма близка к идеалу, когда быстродействия определялись самым быстрым участком (процессорными регистрами СОЗУ), а объем – самым емким (жесткими дисками).

Кэш-память имеет многоуровневую архитектуру (здесь речь идет о кэш-памяти, располагаемой между ЦП и ОП). Кэш первого уровня (L1) имеет небольшой объем, располагается в ядре ЦП и работает на той же частоте, что и узлы ЦП. В мощных процессорных архитектурах она разделена на кэш-инструкций (I-Cache-Instruction Cache) и кэш-данных (D-Cache-Data Cache). Это так называемая гарвардская архитектура кэша. Обеспечение очень высокой скорости считывания связано с ограничением объема этой памяти (от 16 до 32 Кбайт).

Кэш-память второго уровня (L2), как правило, унифицирована, т.е. может содержать как команды, так и данные. Если она встроена в ядро ЦП, то говорят об S-Cache (Secondary Cache – вторичный кэш), его объем составляет от одного до нескольких мегабайт; в противном случае вторичный кэш называется В-Cache (Backup Cache – резервный кэш), а его объем может достигать 64 Мбайт. В процессорах, имеющих интегрированные кэши первого и второго уровней (т.е. внутри корпуса процессора), часто устанавливается единый кэш третьего уровня (L3) вне процессора. Встроенный кэш третьего уровня именуется Т-Cache (Ternary Cache – третичный кэш).

Как правило, каждый последующий уровень кэш-памяти медленнее, но больше по объему. Если в момент выполнения некоторой команды у ЦП не окажется данных для нее, то они могут быть затребованы из ближайшего уровня кэш-памяти, т.е. из D-Cache, в случае их отсутствия в D-Cache, запрашиваются в S-Cache и т.д.

Основным видом ОП по совокупности признаков в настоящее время является полупроводниковая память на интегральных схемах на базе биполярных или полевых транзисторов.

Микросхемы памяти выпускаются в виде ЗУПВ (RAM ® ® DRAM, SRAM) – запоминающего устройства с произвольной выборкой. RAM – random access memory, этот вид памяти реализуется в виде двух типов микросхем: DRAM[*] – динамическая память, обладающая высокой степенью интеграции, низкой стоимостью и потребляемой мощно­стью, но сравнительно малым быстродействием. Эта разновидность микросхем используется в качестве основной (Main Memory) или оперативной памяти компьютера. Их название связано с тем, что конденсаторы, входящие в состав микросхем нуждаются в постоянной подзарядке (примерно 15 раз в секунду), чем и объясняется их низкое быстродействие. Большое количество разновидностей динамической памяти связано со стремлением различных фирм к повышению производительности этого вида памяти. Выбор типа микросхем зависит от многих факторов, включая производительность шин, к которым они подключаются. SRAM** – статическая память, наиболее быстрая, но более дорогая и с большим потреблением энергии, применяется в качестве внутренней памяти ЦП, а также в кэш-памяти. Они позволяют осуществлять операции считывания и записи информации, кроме этого используются микросхемы ОП и в виде постоянных запоминающих устройств – ПЗУ (ROM) *^**, из которых можно только считывать информацию (запись осуществляется на специальных устройствах-программаторах). Разновидность ПЗУ – перепрограммируемые запоминающие устройства ППЗУ (EPROM)^****, допускающие многократную перезапись на программаторах после соответствующей процедуры стирания на специальных стендах. Основным достоинством этого вида памяти является ее энергонезависимость.

Один из наиболее распространенных типов этой памяти – электрически стираемая флэш-память (Flash RAM).

Основные характеристики памяти – быстродействие и производительность.

Быстродействие памяти определяется временем выполнения операций записи или считывания данных. Основным параметром любых элементов памяти является минимальное время доступа и длительность цикла обращения. Время доступа (access time) определяется как задержка появления действительных данных на выходе памяти относительно начала цикла чтения. Длительность цикла определяется как минимальный период следующих друг за другом обращений к памяти, причем циклы чтения и записи могут требовать различных затрат времени. В цикле обращения кроме активной фазы самого доступа входит фаза восстановления (возврат памяти к исходному состоянию), которая соизмерима по времени с активной. Временные характеристики самих запоминающих элементов определяются их принципом действия и используемой технологией изготовления.

Производительность памяти можно характеризовать как скорость потока записываемых или считываемых данных и измерять в мегабайтах в секунду. Производительность подсистемы памяти наравне с производительностью процессора существенным образом определяет производительность компьютера. Выполняя определенный фрагмент программы, процессору приходится, во-первых, загрузить из памяти соответствующий программный код, во-вторых, произвести требуемые обмены данными, и чем меньше времени потребуется подсистеме памяти на обеспечение этих операций, тем лучше.

Производительность подсистемы памяти зависит от типа и быстродействия применяемых запоминающих элементов, разрядности шины памяти, ее пропускной способности и некоторых «хитростей» архитектуры.

Размер, (объем, емкость) памяти, минимальной единицей памяти является бит (bit ® binary digit) – один двоичный разряд; в качестве единицы емкости памяти в настоящее время принят байт (byte – слог), который равен восьми двоичным разрядам (1 byte = 8 bit), 1024 байт = 1 Кбайт (килобайт), 1024 Кбайт = 1 Мбайт (мегабайт), 1024 Мбайт = 1 Гбайт (гигабайт), 1024 Гбайт = 1 Тбайт (терабайт), 1024 Тбайт = 1 Пбайт (петабайт).

Вся оперативная память машины разделена на слова. Слово – наименьшая адресуемая единица оперативной памяти, которая обрабатывается как единое целое. Длина слова определяет точность, с которой могут проводиться вычисления на данном компьютере. В различных типах современных компьютеров длина машинного слова изменяется от 8 до 64 бит.

Для поиска информации применяются два основных метода:

1) адресный поиск, когда каждому слову памяти соответствует некоторый код (адрес), определяющий его местоположение в памяти (в различных компьютерах существует большое разнообразие способов адресации);

2) безадресный поиск, осуществляемый не по адресу, а по другим признакам.

Наиболее распространены запоминающие устройства двух типов:

стековая память (или магазинная) – одномерная память, представляющая набор ячеек, где могут быть записаны фрагменты программ, считывание которых осуществляется по указателю в порядке, обратном записи;

ассоциативная память, поиск информации в которой осуществляется одновременно во всех ячейках памяти по ее содержанию (содержимому), ассоциативному признаку, что позволяет в некоторых случаях существенно ускорить поиск и обработку данных.

Способ организации памяти, когда каждая программа может оперировать с адресным пространством, превышающим объем оперативной памяти, называется виртуальной (кажущейся) па­мятью. Эта организация памяти связана с использованием быстрой внешней (как правило, дисковой) памяти и страничной (или сегментной) структурой размещения на диске.

Центральный процессор(CPU – central processing unit) – основная часть («мозг») компьютера, непосредственно осуществляющая процесс обработки данных и управляющая ее работой. Центральный процессор (ЦП) предназначен для преобразования информации в соответствии с выполняемой программой, управления вычислительным процессом и устройствами, работающими совместно с ним. По мере того как функции вычислительной системы становятся все более распределенными, ряд функций ЦП возлагается на специализированные периферийные процессоры (в связи с этим основной процессор называется центральным).

К основным функциям ЦП могут быть отнесены следующие:

обращение к ОП, декодирование и выполнение команд программы в указанном порядке;

передача данных из оперативной памяти во внешние устройства и из внешних устройств в оперативную память;

ответы на запросы внешних устройств;

синхронизация работы всех элементов вычислительной машины.

Можно выделить два уровня ЦП, которые непосредственно отвечают за преобразование информации в соответствии с выполняемой программой.

1. Традиционный машинный уровень. Он доступен пользователю и определяется набором из нескольких десятков или сотен сравнительно простых команд. По функциональному назначению можно выделить следующие категории команд: арифметические, логические, запись в память и загрузка регистров процессора из памяти, команды ввода-вывода и др. Любая пользовательская программа, подлежащая выполнению, находится в па­мяти и содержит вышеперечисленные команды. Структура машинного слова памяти, в ко­торой размещается команда, состоит из двух частей (рис. 1.3): код операции (команда) и адресная часть, указывающая адреса ячеек (слов), необходимых для выполнения данной команды. В зависимости от количества адресов, располагающихся в адресной части, компьютеры могут быть трех-, двух-, одно- и безадресными.

При выполнении вычислений компьютер использует два типа чисел: целые и действительные. Последние в свою очередь имеют два способа представления: с фиксированной и плавающей запятой (точкой).

В первом случае место запятой, отделяющей целую часть от дробной, фиксируется, сразу же указывается количество разрядов, отводимых для изображения целой и дробной части, что упрощает выполнение машиной арифметических операций.Во втором случае положение запятой может меняться, что, как правило, позволяет повысить точность вычислений. При этом значащие числа (не нули) могут быть представлены сразу же после запятой с необходимым изменением знака порядка числа (нормализованное представление). Эта операция может выполняться как аппаратно, так и программно.

2. Микропрограммный уровень. Принцип микропрограммирования был предложен Моррисом Уилкесом в 1951 г. На этом уровне происходит разделение между программным и аппаратным обеспечением компьютера, и он, как правило, недоступен пользователю-программисту. В ранних моделях компьютеров команды выполнялись непосредственно на аппаратном уровне, т.е. для каждой команды существовали свои специальные схемы. Однако в настоящее время практически все типы компьютеров используют принцип микропрограммирования для реализации основных машинных команд.

 

 

 

Рис. 1.3.Структура машинного слова

 

Принцип микропрограммного управления основан на замене управляющих логических схем специальной программой, хранящейся в специальном запоминающем устройстве (ПЗУ), называемым памятью микрокоманд (микроприказов) или управляющем памятью. Эта память предназначена для хранения управляющих сигналов в форме микропрограмм, формирующих систему команд компьютера. Вычислительная машина, управление в которой осуществляется микропрограммой, называется машиной с микропрограммным управлением.

Практически происходит разложение сложной логической операции (необходимой для выполнения машинных команд) на элементарные, которые выполняются аппаратно с помощью простейших электронных схем. Эти схемы реализуют элементы математической логики (булевой алгебры).

Поскольку микропрограммный уровень реализуется конкретными схемными решениями, то программирование на этом уровне носит примитивный характер и затруднено. Часто необходимо принимать во внимание и временные соотношения.

Разложение сложной операции на простейшие элементы характерно для вычислительной техники. Так, например, из арифметических операций, по существу, ЦП выпол­няет только сложение, так как вычитание – сложение в дополнительном коде, умножение – сложение со сдвигом, деление – вычитание со сдвигом, возведение в степень – многократное умножение, извлечение корня – многократное деление.

В рамках выполнения функций управления вычислительным процессом, в том числе и для обеспечения режима мультипрограммирования, характерного для всех современных ЭВМ, важную роль играет ЦП. Под мультипрограммированием понимается такой режим работы, когда две или более задачи, одновременно находящиеся в оперативной памяти, используют ЦП попеременно.

Поскольку ЦП работает намного быстрее всех остальных устройств компьютера, участвующих в выполнении задачи, то при их совместной работе этот режим полезен. В однопрограммном режиме ЦП вынужден большую часть времени простаивать.

Задачи, выполняемые компьютером, разделяются по приоритетам на несколько уровней. Задачи с более высоким приоритетом могут прерывать реализуемые задачи более низкого приоритета, что обеспечивается системой прерываний. Режим мультипрограммирования оказывается полезным и для повышения эффективности работы ЦП при решении задач одного приоритетного уровня. Может случиться, что какая-то задача в ходе ее выполнения требует наличия каких-то ресурсов (внешних устройств, областей памяти и т.п.), и до тех пор, пока они не имеются в ее распоряжении, не может продолжаться выполнение этой задачи.

Это вынужденное время ожидания (а внешние устройства работают намного медленнее ЦП) может быть использовано для выполнения другой задачи (рис. 1.4). Задача А в момент обращается за вводом данных, и в это время подключается задача В, которая также через некоторое время освобождает ЦП, и он может использоваться задачей С. Так как ЦП работает с высокой скоростью, для пользователя создается впечатление, что все задачи работают одновременно. Под задачами здесь и далее понимаются не только задачи пользователя, но и задачи, управляющие ресурсами ЭВМ. На рис. 1.4 представлена так называемая невытесняющая многозадачность, когда следующая задача не может реализовываться до вынужденного прерывания предыдущей. Применяется и режим вытесняющей многозадачности, когда каждой задаче предоставляется определенный квант времени, по истечении которого процессор передается следующей задаче, а текущее состояние прерванной задачи запоминается и используется при следующем обращении (режим разделения времени). Возможен также режим Multithreading (или многонитевидная обработка), когда распараллеливание производится внутри одной задачи в режиме невытесняющей многозадачности.

 

Рис. 1.4. Мультипрограммный режим работы ЦП

 

На рис. 1.5 представлены основные блоки ЦП.

1. Устройство управления. Оно предназначено для выборки
команд из ОП, их интерпретации и инициализации. Обычно оно содержит следующие регистры:

программный счетчик PC – регистр, содержащий адрес той ячейки ОП, из которой будет выбираться следующая команда;

регистр команды IR – регистр, принимающий команду из основной памяти и хранящий ее во время дешифрования и выполнения;

слово состояния процессора PSW (оно может быть представлено отдельными триггерами, называемыми флажками или кодами условия, эти флажки фиксируют текущее состояние ЦП и важные особенности результата предыдущей команды);

 

 

Рис. 1.5. Блок-схема ЦП

 

указатель стека SP (во многих компьютерах применяется стек, который может быть образован набором внутренних регистров (разновидность внутренней памяти) или областью ОП; стек временно запоминает важную информацию на время выполнения подпрограмм и обработки прерываний).

2. Управляющая память. Хранит набор микрокодов (микро­команд), реализующих систему команд компьютера.

3. Рабочие регистры. Во всех компьютерах имеется несколько регистров двух видов:

аккумуляторы (или арифметические регистры), служащие «блокнотом» при арифметических и логических операциях;

регистры адреса, используемые для адресации данных и команд в основной памяти.

4. Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Выполняет арифметические и логические операции над содержимым регистров и запоминает результаты по указанию команды.

5. Генератор синхронизации. Формирует один или несколько потоков равномерно рас­пределенных импульсов, которые координируют все действия компьютера. Скорость работы компьютера в значительной степени определяется частотой генератора.

6. Внутренняя память. ЦП некоторых ЭВМ имеют небольшую внутреннюю память (иногда называемую кэш-памятью), которая обладает большим быстродействием, чем ОП, и служит буфером между ОП и регистрами ЦП. Это может значительно повысить быстродействие компьютера. Подробности кэш-памяти описаны ранее.

По мере развития технических средств компьютеров ряд функций ЦП передается на периферию. Создаются специализированные (периферийные) процессоры, которые аппаратно реализуют ряд часто используемых функций компьютеров, способствуя значительному повышению производительности компьютеров при выполнении основных операций по обработке информации.

Одними из первых специализированных процессоров следует считать процессоры ввода-вывода, которые выполняют одну из самых массовых процедур при работе компьютеров. Из-за низкой скорости (относительно скорости ЦП) работы периферийных устройств ввод-вывод значительно замедляет работу ЦП. Большое распространение получили специализированные процессоры, выполняющие основные арифметические операции, включая операции с плавающей точкой (в персональных компьютерах такие процессоры называют сопроцессорами). Дальнейшее развитие вычислительной специализации процессоров привело к появлению так называемых матричных процессоров, выполняющих операции линейной алгебры и быстрое преобразование Фурье.

ЦП – одно из важнейших устройств, определяющих производительность компьютера или его быстродействие. Можно выделить четыре типа оценки быстродействия компьютера:

1) пиковая, или регистр-регистр (R-R), – предельная производительность ЦП, не учитывающая время обращения к ОП;

2) номинальная (с учетом времени обращения к ОП (ЦП + ОП));

3) системная (дополнительно учитывающая системное программное обеспечение, обеспечивающее работу ЭВМ);

4) эксплуатационная – скорость выполнения прикладных программ (в зависимости от области применения (расчетные, экономические или другие задачи) используют разнообразные статистики (смеси), учитывающие среднее количество машинных команд, используемых в тех или иных приложениях; время же выполнения команд точно измеряется).

При оценке быстродействия микропроцессоров используются следующие характеристики:

MHz (мегагерц) – миллион тактов задающего генератора в секунду;

MIPS (Mega Instruction Per Second) – миллион инструкций (микрокоманд) в секунду;

MFLOPS[†] – миллион операций с плавающей точкой в секунду;

тесты Донгларра (решение СЛАУ**).

Устройства ввода-вывода (УВВ), или периферийные устройства (ПУ). Такие устройства компьютера используются для ввода-вывода, подготовки данных и запоминания больших объемов информации.

Отличительная особенность УВВ в том, что они в процессе работы преобразуют форму представления информации, не изменяя ее содержания. Для пользователя эти устройства представляют информацию в алфавитно-цифровой и графической формах. Для обмена с остальными устройствами компьютера используется множество самых разнообразных кодов, наиболее популярны следующие: ASCII (American Standard Code for Information Interchange), отечественный аналог которого – КОИ-7, КОИ-8 – имеет восемь разрядов, семь из них значащие и один для проверки четности, применяется для работы устройств, подключаемых с помощью стандартных телеграфно-телефонных линий; EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange Code), отечественный аналог ДКОИ – расширенный двоично-кодированный десятичный код для обмена информацией. Девятиразрядный (8 значащих разрядов) код, применяемый фирмой IBM, как правило, предназначен для обмена информацией на магнитных носителях.

Быстрое совершенствование ЦП и ОП компьютера, уменьшение их размеров и постоянное снижение стоимости привели к возрастанию роли УВВ. Так, уже сейчас стоимость УВВ составляет большую часть стоимости компьютера, а их габаритные размеры определяют размеры компьютера. Среди очень большого разнообразия УВВ можно выделить следующие категории.

Внешние запоминающие устройства (ВЗУ).Основная или оперативная память имеет высокую стоимость и ограниченную емкость (в значительной степени из-за высо­кой стоимости). В то же время использование компьютеров становится все в большей степени связано с накоплением и обработкой больших объемов информации. Потребности прикладных задач многократно превышают технические возможности электронной ОП. Это и явилось одной из причин появления внешних запоминающих устройств большой емкости, которые в то же самое время являются устройствами ввода-вывода информации. В ходе вычислительного процесса ВЗУ осуществ­ляют двухсторонний обмен информацией с ОП, поэтому для них используются те же принципы обмена данными, что и для других внешних устройств. При значительно меньшей удельной стоимости (хранение бита информации) ВЗУ обладают очень большой емкостью (до гига- и терабайт). Относительно низкая стоимость, энергонезависимость и ряд других достоинств значительно расширили сферу применения этих устройств и способствовали их широкому распространению. Они используются и как устройства для хранения общесистемного программного обеспечения, определяющего оперативную работу компьютера (в дисковых операционных системах), и как архивная память компьютеров длительного хранения, эпизодического использования, как личные архивы пользователей и т.п. При этом сами носители информации могут храниться независимо от компьютера и считываться на различных компьютерах, имеющих соответствующие УВВ.

В настоящее время в компьютерах различных типов в качестве ВЗУ большой емкости применяются четыре типа накопителей: магнитные, магнитно-оптические, оптические и электронные (флэш-память). Магнитные ВЗУ появились первыми и представляют устройства с записью информации на подвижный магнитный носитель (рис. 1.6).

 

 

Рис. 1.6. Принцип записи на магнитный накопитель

 

Магнитное запоминание данных осуществляется намагничиванием определенных зон рабочего слоя на движущемся диске или ленте. Эти зоны намагничиваются в одном из двух противоположных направлений при помощи электромагнитной головки, состоящей из легко намагничиваемого сердечника с обмоткой из проводника (см. рис.1.6, а). Когда по обмотке протекает ток, в сердечнике возникает магнитный поток. В зазоре сердечника силовые линии магнитного потока выходят за его границы и намагничивают проходящий под головкой магнитный материал. Если направление тока меняется на противоположное, ориентация намагниченности в рабочем слое также меняется на обратную. Данные, записанные таким образом, могут быть считаны, поскольку магнитное поле зон намагниченности простирается за пределы поверхности носителя. При движении носителя сердечник головки пронизывается изменяющимся магнитным потоком, который, в соответствии с законом электромагнитной индукции (Фарадея), индуцирует ток в обмотке (см. рис. 1.6, б). Если внимательнее приглядеться к зонам намагниченности и создаваемым ими полям, то видно, что поля в действительности начинаются и заканчиваются в промежутках между этими зонами, т.е. в переходных областях. Поскольку поля препятствуют намагничиванию среды, их называют размагничивающими.

К накопителям этого типа относят накопители на магнитной ленте (НМЛ), накопители на магнитных дисках (НМД) и накопители на магнитных барабанах (НМБ).

1. НМЛ - накопители на магнитной ленте, построенный по тем же принципам, что и обычный бытовой магнитофон, вошел первым в практику использования как ВЗУ компьютера и относится к накопителям с последовательным доступом. Имеет самую низкую стоимость хранения бита информации, высокую надежность, удобен в эксплуатации. Однако НМЛ имеет очень большое время доступа к необходимой информации, так как для ее поиска необходим последовательный просмотр иногда всей ленты. Для больших магнитофонов время доступа может составлять 4 – 150 с. За время существования НМЛ применялись накопители, использующие два типа магнитной ленты:

1) для больших и малых компьютеров – обычно НМЛ с шириной ленты 12,7 мм;

2) в персональных компьютерах – накопители на компакт-кассетах (стримеры), в которых удалось добиться значительного увеличения плотности записи, как правило, путем отказа от стартстопного режима работы и перехода к режиму «бегущей» (stream) ленты.

Для первого типа магнитной ленты информация записывается на девяти дорожках, восемь из которых являлись информационными (девятая использовался для проверки четности). Длина ленты зависела от применяемых кассет и ее толщины и могла достигать более 1000 м, емкость более 100 Мбайт. В настоящее время такие НМЛ не используются.

Во втором типе магнитная лента не останавливается на каждом блоке данных, а движется непрерывно с постоянной скоростью. Такой режим хорошо согласуется с выгрузкой содержимого диска большой емкости с целью «спасения» (целиком) информации, распо­ложенной на диске. Емкость таких накопителей может достигать сотен гигабайт.

Несмотря на обилие устройств хранения всевозможных типов, ленточные накопители в качестве устройств для резервного копирования сохраняют и даже упрочили свои позиции благодаря высокой надежности, скорости и низкой стоимости единицы информации.

2. НМД - накопители на магнитных дисках. В настоящее время наиболее популярны НМД, которые имеют большую емкость, малое время доступа (от 100 до 10 мс и менее) и невысокую стоимость хранения бита информации. НМД относятся к устройствам с прямым доступом, поскольку время поиска информации практически не зависит от его местонахождения на носителе.

Магнитный диск напоминает грампластинку с нанесенным на нее магнитным материалом. Запись или считывание информации производится по кольцевым или спиральным дорожкам с помощью перемещающихся головок (рис. 1.7).

Для увеличения емкости отдельные диски собираются в пакеты, в которых несколько металлических дисков (изготовленных из легких сплавов) устанавливаются на общую ось. Общий блок головок обеспечивает считывание информации с каждой из поверхностей. Существуют диски с постоянным (не перемещаемым) блоком головок над каждой из дорожек, они обладают очень малым временем доступа. Различают накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД – HDD*) и накопители на гибких магнитных дисках (НГМД – FDD**).

2.а. НЖМД – накопители на жестких магнитных дисках имеют металлическую основу, вращаются с высокой скоростью, их считывающие головки находятся на расстоянии десятых долей микрометра от поверхности диска. Они обладают малым временем доступа, большой емкостью и высокой стоимостью.

 

Рис. 1.7. Кинематическая схема накопителя на магнитном диске:

1 – диски, 2 – вал, 3 – магнитные головки, 4 – сервопривод

 

Поэтому такие диски обычно используются как системные, расширяющие возможности ОП для обеспечения работы операционной системы ее хранения и загрузки, а также для использования в различных прикладных программах. Наиболее популярными в последнее время стали так называемые винчестерские диски (название дисков связано с тем, что имелась некоторая аналогия в параметрах дисков с цифровыми параметрами оружия, выпускаемого известной американской фирмой). В этих устройствах за счет герметизации
магнитного носителя, совершенствования считывающих головок магнитной ориентации частиц оксида вдоль дорожек и т.п. удалось, повысив плотность записи и уменьшив расстояние между дорожками, значительно увеличить емкость диска, а использование общего блока головок позволило сократить время доступа к информации.

Первый НЖМД был разработан на фирме IBM в 1956 г. Его размер (привод) составлял около двух бытовых холодильников, стоимость 150 тыс. дол., имел 50 дисковых дюралевых пластин с нанесенным слоем ферромагнетика, диаметром 64 см, скорость вращения 1200 об/мин, емкость 5 Мбайт, а время доступа – 1 с. К 2000 г. НЖМД стоимостью 150 дол., имел емкость более чем в 16х10³ раз, время доступа уменьшилось более чем в 100 раз, стоимость на единицу емкости (1 Мбайт) уменьшилось в 10 млн раз. Плотность записи растет, перекрывая даже известный закон Мура (для электронных схем), удваиваясь каждый год, несмотря на предсказываемый, так называемый сверхпарамагнитный предел, когда размеры одного магнитного домена на поверхности дисковых пластин, направление намагниченности которого регистрируется как один бит, станут настолько малыми, что тепловой энергии атомов (при комнатной температуре) будет достаточно, чтобы изменить его направление.

Любой современный НЖМД состоит из четырех основных частей:

носителя;

головки чтения-записи;

позиционера;

контроллера.

Носитель – пакет дисковых пластин, вращающихся на одной оси, на смену дюралюминиевым пластинам (дискам) пришли диски из керамики и стекла. На поверхность диска наносится слой ферромагнетика (в современных дисках – оксид хрома), покрытый сверху тонким слоем алмазоподобного графита (для защиты от механических повреждений). Адресация дисков осуществляется следующим образом – номер диска, цилиндр (набор концентрических дорожек, расположенных на одинаковом удалении от центра вращения), дорожка, сектор (кластер). В современных дисках применяется зонно-битовая запись, имеющая различное количество секторов на дорожках с различным удалением от центра.

Благодаря аэродинамическому эффекту головка чтения-записи «летит» над поверхностью диска под воздействием потока, предварительно очищенного воздуха. У первых винчестерских дисков расстояние между поверхностью диска и головкой равнялось 0,5 мкм, у современных дисков оно достигает 0,07 – 0,05 мкм (что естественно повышает плотность записи и емкость дисков). На смену ферритовым головкам пришли композитные, магниторезистивные, тонкопленочные.

Позиционер – устройство, наводящее головку на нужную дорожку. Существует два варианта привода – поворотный и линейный, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки. В обоих случаях привод осуществляется с помощью соленоидов.

Контроллер обеспечивает согласованное управление всеми элементами диска и передачу данных между компьютером и дисками (как правило, на базе микропроцессоров).

Накопители на жестких магнитных дисках применяются во всех используемых в настоящее время типах компьютеров и в зависимости от вида компьютера различаются:

по типу интерфейса – для персональных компьютеров, для серверов, для мейнфреймов и т.д.;

по типу размера накопителей – 3,5 дюйма для настольных систем, 2,5 дюйма для ноутбуков и других переносных систем;

по скорости вращения шпинделя: 15000, 10000, 7200, 5400 и 4200 об/мин.

Следует учитывать, что винчестер – устройство нежное и очень ненадежное (хотя определенные технологические успехи в этом направлении имеются). В то же время в ряде случаев информация, а не «железо» является наиболее важным ресурсом внешнего запоминающего устройства.

В связи с этим разработчики винчестеров предпринимают ряд решений, повышающих надежность хранения данных. Так, компания Western Digital представила технологию в рамках спецификации S.M.A.R.T. (Self Monitoring Analysis and Reporting Technology) – технология, принятая всеми ведущими производителями персональных компьютеров. Она предназначена для предотвращения потери информации путем предсказания возможности выхода из строя жестких дисков на основании результатов внутреннего тестирования состояния диска, а также выявления и восстановления информации в проблемных секторах. Происходит поиск поврежденных участков диска и перенесение информации в специально отведенные области.

Еще более кардинальным решением повышения надежности хранения информации является разработка так называемых RAID-массивов (Redundant Array of Inexpensive Device – избыточные массивы недорогих устройств). Данная технология позволяет распределить данные по нескольким носителям. Это совокупность из нескольких, обычно недорогих жестких дисков, управляемых программно или специальным контроллером таким образом, что результат выглядит как одно устройство, обладающее всеми необходимыми свойствами – высокой надежностью и скоростью, а также большой емкостью.

Все описываемые далее накопители относятся к устройствам хранения со сменными носителями (наряду с ленточными носителями – стримерами).

Этот вид накопителей используется для решения трех классов задач, предъявляющих к ним довольно сильно различающиеся требования. Во-первых, это публикация и распространение программного обеспечения, данных и мультимедиа - контента их изготовителями (объем которых постоянно растет). Здесь на первый план выходит совместимость носителей данных с наиболее распространенными на сегодняшний день накопителями. Во-вторых, это архивирование и резервное копирование информации. Главное требование в этом классе задач – максимальная емкость носителя, его надежность и долговечность, минимальная стоимость хранения единицы информации, максимальная производительность. В-третьих, это перенос информации между компьютерами, в частности, обмен ею между пользователями. Основные требования для этого применения, дешевизна носителей и максимальная скорость записи и чтения.

2.б. НГМД (FDD) (накопители на гибких магнитных дисках или флоппи-диски) – накопители на магнитной основе, появились в связи с распространением персональных компьютеров. Они обладают небольшой емкостью и довольно большим временем доступа. Однако их низкая стоимость и отсутствие жестких эксплуатационных требований при ис­пользовании и хранении дискет обеспечивают этому виду дисковой памяти высокую популярность у пользователей. Этот вид носителей используется для хранения личных архивов пользователей, очень удобен для обмена как прикладными, так и системными програм­мами небольшого объема. В настоящее время используются дискеты диаметром 89 мм, емкость диска 1,44 Мбайт, однако последние разработки ряда фирм, в том числе Sony (разработавшей в 1980 г. FDD – 1,44 Мбайт), привели к появлению флоппи-дисков емкостью в 100 и более мегабайт.

У накопителях на магнитных барабанах была ограниченная область применения (в суперкомпьютерах), хотя и имелись сравнимые с жесткими дисками характеристики.

3. Оптические и магнитооптические накопители. Один из главных недостатков НЖМД, являющегося на сегодняшний день основным системным ВЗУ, – это низкая надежность к внешним механическим воздействиям (ввиду очень малого расстояния между считывающей головкой и поверхностью диска). В связи с этим в последнее десятилетие активно развиваются новые технологии, которые связаны с применением оптических элементов. Ближе всего к традиционным НЖМД приближаются магнитооптические устройства (рис. 1.8).

3.а. Магнитооптические (МО). В магнитооптическом устройстведля чтения и записи данных применяется лазер. При записи лазер разогревает маленькую зону носителя, с ростом температуры коэрцитивная сила материала падает, для изменения направления намагниченности соответствующий участок диска должен быть нагрет до точки Кюри (около 200^о С). При чтении данных луч лазера переключается на меньшую мощность и поляризуется (эффект Керра). Поскольку плоскость поляризации поворачивается при отражении луча от намагниченной среды, второй поляризующий фильтр (называемый анализатором) может преобразовать изменение интенсивности светового луча, которое в свою очередь фиксируется фотодетектором.

В этих устройствах считывающая (записывающая) головка значительно удалена от поверхности диска. Они могут быть представлены и в виде магнитооптических библиотек с автоматической сменой большого количества дискет, общая емкость которых достигает очень больших величин.

К 2007 году выпускалось два типа устройств магнитооптики с размером носителя 5,25 дюйма с максимальной емкостью 19 Гбт и 3,5 дюйма с максимальной емкостью 2,3 Гбт. Минимальное время доступа (поиска) в обеих типах – 19 мс. По емкости, быстродействию, надежности у магнитооптики нет равных (на указанный период времени) среди устройств хранения со сменными носителями данных.

 

 

Рис. 1.8. Принцип работы магнитооптического устройства

 

Магнитооптические носители выдерживают огромное количество циклов перезаписи, не чувствительны к внешним магнитным полям и радиации, гарантируют сохранность информации в течение полусотни лет. Именно поэтому эти устройства применяются тогда, когда предъявляются повышенные требования к объемам и надежности хранения данных (неслучайно, библиотека Конгресса США оборудована магнитооптическими библиотеками).

3.б. Оптические накопители. Оптические диски по принципу работы очень близки к магнитооптике (правда, поверхность, на которой хранится информация, не является магнитной).

Оптические диски относятся к устройствам хранения информации со сменными носителями (так же, как и магнитная лента, НГМД и т.д.).

Первый оптический диск CD-ROM появился в 1984 г. Первоначально выпускалось два формата CD-DA (Digital Audio) и CD-ROM. Запись осуществлялась так же как и на всех дисках – на концентрических дорожках в виде небольших углублений – вдоль дорожек – ямок (ямка – 1, гладкая поверхность – 0). Изготовление производилось штамповкой. С помощью таких дисков производилось распространение фирменного программного продукта или
аудиоинформации. Считывание осуществлялось с помощью луча лазера, который, отражаясь от плоского участка диска, оказывался в противофазе с падающим лучом, а интенсивность результирующего (отраженного) луча близка к нулю (нулевые биты). При отражении от ямки луч проходит 1/2 длины волны, оказывается в фазе с падающим лучом и усиливает его (единичные биты), что и фиксируется фотодетектором. С начала своего использования и до последнего времени CD-ROM интенсивно развивались. Емкость их достигла 800 Мбайт, скорость считывания – 9 Мбайт/с (при скорости вращения до 12000 об/мин). При этом значительное удаление головки от поверхности диска существенно повышает его надежность. Правда, на сегодняшний день (после 2000 г.) он уже не в состоянии конкурировать с приближающимся к нему по цене CD-RW и DVD-ROM.

Первый записывающий диск с однократной записью (WORM – Write Once Read Many) CD-R (Recordable) был выпущен фирмой Philips в 1993 г. В качестве «болванок» использовались обычные (как и для CD-ROM) поликарбонатовые диски, покрытые специальным красителем (цианиновым, фталоцианиновым или азокрасителем), на поверхность которого напыляется тончайших слой отражающего благородного металла (обычно чистого серебра или золота). При записи сфокусированный лазерный луч физически выжигает отражающую поверхность, и слой красителя образует непрозрачные участки, аналогичные ямкам в обычном штампованном CD. Развитие этих устройств в сторону многократной записи привело к появлению CD-WARM (Write And Read Many times). Развитмие этих устройств в сторону многократной записи привело к появлению CD-RWARM (Write And Read Many times). В конце прошлого века CD-R были вытеснены более универсальными CD-RW.

В CD-RW активным слоем является специальный поликристаллический сплав (серебро-индий-сурьма-теллур), который переходит в жидкое состояние при сильном нагреве (500 – 700 °С) лазером. При последующем быстром остывании жидких участков они остаются в аморфном состоянии, поэтому их отражающая способность отличается от поликристаллических участков. Возврат аморфных участков в кристаллическое состояние осуществляется путем более слабого нагрева – ниже точки плавления, но выше точки кристаллизации (~ 200 °С). Выше и ниже активного слоя располагаются два слоя диэлектрика (обычно диоксид кремния), отводящие от активного слоя лишнее тепло в процессе записи. Сверху все это прикрыто отражающим слоем, а весь «сэндвич» нанесен на поликарбонатовую основу, в которой выпрессованы специальные углубления. В накопителе CD-RW используются три режима работы лазера, отличающиеся мощностью луча: режим записи (максимальная мощность, обеспечивающая переход активного слоя в неотражающее, аморфное состояние); режим стирания (возвращает активный слой в отражающее, кристаллическое состояние); режим чтения – самая низкая мощность (не влияющая на состояние активного слоя).

Максимально достижимая емкость дисков CD – 650 – 700 Мбайт. Невозможность дальнейшего увеличения ресурса (по емкости) этих дисков привели к появлению дисков DVD.

Первоначально этот диск должен был прийти на смену видеокассет и расшифровывался как Digital Video Disk, т.е. цифровой диск. В дальнейшем это формат стал применяться в вычислительной технике, и его название поменялось на Digital Versatile Disk – цифровой многофункциональный диск. В 1995 году появился единый стандарт, состоящий из пяти разновидностей: DVD-ROM; DVD-Video; DVD-Audio; DVD-R и DVD-RAM. Два последних стандарта в дальнейшем были преобразованы в DVD-RW; DVD+RW и DVD+R.

Каким же образом удалось значительно (в 7 – 25 раз) увеличить объем диска?

Во-первых, вместо инфракрасного (ИК) лазера с длиной волны 780 нм был применен лазер красного диапазона 650 нм. При этом произошло уменьшение размера (диаметра) углублений с 0,83 до 0,4 нм. Вследствие этого шаг дорожек уменьшился с 1,6 до 0,74 нм. Это привело к увеличению емкости диска в 4,5 раза.

Во-вторых, были разработаны двухслойные диски (материал первого отражающего слоя является полупрозрачным), это дает возможность увеличить емкость еще почти в 2 раза.

В-третьих, были разработаны двухсторонние диски, что позволило еще в два раза увеличить общую емкость дисков (правда диск приходится переворачивать вручную). Возможны четыре варианта дисков DVD: односторонний, однослойный – 4,7 Гбайт; односторонний, двухслойный – 8,5Гбайт; двухсторонний, однослойный – 9,4 Гбайт и двухсторонний, двухслойный – 17 Гбайт.

Основное направление развития индустрии оптических дисков связано с использованием лазера сине-фиолето­вого диапазона с длиной волны 405 нм. К настоящему времени преодолены основные трудности и ряд фирм (прежде всего Sony) приступили к серийному выпуску Blu-Ray Disc. На носителе формата 5,25 дюйма выпускаются диски с емкостью 23,3 Гб/25 Гб/27 Гб/50 Гб/100 Гб.

При большой емкости и высокой надежности слабым местом этих устройств является большое время доступа (десятки и даже сотни миллисекунд).

И в заключение обзора устройств внешней памяти необходимо отметить, что сравнительно недавно и достаточно неожиданно появились электронные устройства внешней памяти USB Flash носителями и популярность их растет, а причин тому несколько. Прежде всего - это постоянно снижающаяся розничная цена при постоянно повышающейся емкости (2008 год – 32 Гбайт). Вторая причина связана с широким распространением стандарта USB. Все современные материнские платы имеют встроенные USB-порты, а в компьютерных корпусах эти порты чаще выносятся на лицевую панель, обеспечивая легкость подключения любой периферии. И третья причина – это удобство флэш-памяти. Они легкие, малогабаритные, не подвержены влиянию магнитных полей, терпимы к температурным перепадам и механическим воздействиям, их носители не подвержены износу и информация на них может храниться очень долго. Область их применения пока достаточно узка. Они служат для хранения и переноса информации между компьютерами. Для более серьезных функций они (пока) не используются из-за низкой скорости USB-порта (1,5 Мб/с).

Печатающие устройства.Они служат для вывода программ, данных и результатов обработки на бумажную ленту различной ширины, а также на отдельные листы бумаги. Было разработано большое количество разнообразных устройств печати, применяемых для различных классов компьютеров (рис. 1.9), большая часть из которых в настоящее время уже не используется.

Устройства ударного действия сравнительно дешевы, позволяют изготавливать несколько копий, качество печати вполне удовлетворительное для традиционных применений компьютеров. К недостаткам этих устройств относят повышенный уровень шума и сравни­тельно невысокую надежность. На больших компьютерах наибольшее распространение в свое время получили высокоскоростные алфавитно-цифровые печатающие устройства (АЦПУ). Скорость печати этих устройств от 600 до 1800 строк в минуту, они относятся к построчно-печатающим устройствам параллельного действия. Знаконоситель в этих устройствах – литерный, обычно вращающийся с высокой скоростью цилиндрический барабан (может быть шаровой или ленточный носитель литер). Устройство содержало ряд ударных механизмов, равных количеству знаков в строке (длине барабана), а также буферное запоминающее устройство, хранящее информацию об одной строке. На малых компьютерах применялись рычажно-литерные и знакосинтезирующие устройства последовательного действия, в которых печатающий узел последовательно знак за знаком пробегает строку. Эти устройства имели невысокую скорость печати, малые размеры и стоимость, так как, во-первых, использовалась кинематика телетайпа (пишущей машинки), а во-вторых, изображение знака создавалось игольчатой матрицей, содержащей 5х7 или 7х9 точек.

 

Рис. 1.9. Разновидности печатающих устройств

 

 

Принтеры безударного действия лишены многих недостатков ударных. Наибольшей популярностью в настоящее время пользуются лазерные (электрооптические) и струйные принтеры. Они обладают очень высокой скоростью печати, очень высоким качеством и надежно­стью. Однако стоимость таких устройств и их обслуживание значительно дороже, поэтому целесообразно их коллективное использование в приложениях, требующих высокого качества печати.

Печатающие устройства, получившие широкое распространение в персональных компьютерах, применяются и для изготовления графических изображений (в том числе и цветных), предварительно созданных на экране графического дисплея. Правда, эти устройства принципиально отличаются от традиционных графопостроителей (плоттеров), поскольку пишущий узел по­следовательно пробегает всю поверхность бумаги строчку за строчкой, оставляя след в местах копируемого изображения (бумага перемещается только в одном направлении). Скорость изготовления рисунка невысока.

Можно выделить два вида таких устройств:

1. Устройства графического вывода. К ним относятся координатографы и графопостроители планшетного и рулонного типа. В этих устройствах пишущий узел двигается непосредственно по линии изображения под управлением последовательности команд и программного обеспечения графического вывода. Графопостроители ориентированы на изготовление чертежей различного формата, координатографы обладают несколько более высокой точностью и могут применяться для гравировки и изготовления печатных плат (при этом пишущий узел заменяется резцом).

2. Устройства ввода графической информации. Это планшетные устройства (дигитайзеры), обеспечивающие считывание, т.е. распознавание графических элементов (точка, линия, элементарный фрагмент) и их кодирование – преобразование в цифровой код по установленным правилам.

По степени участия человека в процессе считывания устройства ввода графической информации разделяют на автоматические и полуавтоматические. В связи с расширением сферы использования персональных компьютеров различные фирмы освоили производ­ство автоматических и ручных устройств, предназначенных для ввода изображений (в том числе и цветных) или текстов без использования клавиатуры – сканеров. Стоимость их высока.

Дисплеи. Дисплеи относятся к периферийным интерактивным устройствам, являясь основ­ным средством общения человека-пользователя с компьютером. Под дисплеем следует иметь ввиду три функционально различных устройства – монитор, предназначенный для вывода инфор­мации из компьютера, различные устройства для ввода информации и графические адаптеры, которые уже давно вышли за рамки своих прямых функций вывода на экран монитора подготовленного процессором изображения, став графическими ускорителями, выполняя операции по обработке графики, включая расчетные функции. Таким образом, адаптеры, забрав часть функций ЦП превратились в высокоскоростные графические процессоры. Очень высокая скорость вывода информации (включая графическую), удобной для восприятия человеком, и возможность оперативного вмешательства в процесс решения задачи сделали дисплей незаменимым устройством для общения с компьютером. Мониторы являются важнейшей частью графической системы. Качество изображения является ключевым фактором (хотя и не единственным), которое определяется выбранным типом монитора.

В качестве мониторов в компьютерах, до последнего времени, применяются два типа устройств. Это традиционные мониторы на базе электронно-лучевых трубок (ЭЛТ), которые для получения изображения используют принцип телевизионного растра, вторыми являются устройства, использующие плоские панели. Плоские панели, или экраны матричного типа, могут основываться на разных технологиях: жидкокристаллической, плазменной (газоразрядной), твердотельной, автоэлектронно-эмиссионной и др. Все они сейчас активно развиваются, но в массовых масштабах в компьютерной области применяется только одна их разновидность – жидкокристаллические (ЖК, LCD – Liguid Crystal Display)*.

ЖК-технологии не являют собой что-то однородное, скорее всего это конгломерат решений, объединенный общим принципом. Можно рассматривать разнообразие актуальных подходов как свидетельство интенсивного развития этой области.

В течение ряда лет, начиная с 2000 г., развитие компьютерных мониторов проходило в виде скрытого или явного соревнования этих двух основных технологий. Если до 2000 г. ЭЛТ были вне конкуренции, то затем ситуация стала резко меняться.

Среди основных недостатков ЭЛТ являются следующие: относительная громоздкость, особенно при экранах большого размера – 17 дюймов и выше, глубина монитора становится соизмеримой с размером экрана, и второй недостаток, который стал более заметен в связи с появлением плоских панелей, – не плоский экран. Правда, даже такие консервативные элементы, как ЭЛТ постоянно совершенствуются. Экраны становятся более плоскими, повышается яркость и контрастность изображения, уменьшаются габариты, снижается энергопотребление. Хотя следует отметить, что серьезных технологических прорывов в этом классе мониторов (которые имеют длительную историю) ожидать не приходится.

Плоские жидкокристаллические панели имеют целый ряд потребительских качеств, делающих их особенно привлекательными:

абсолютно плоский экран;

отсутствие геометрических искажений;

высокая яркость;

малая глубина, компактность;

очень низкий уровень электромагнитных излучений.

Основным недостатком ЖК-мониторов на начальном этапе их развития была их стоимость, в связи с чем они применялись только в ноутбуках. Однако, начиная с 1999 г. в производство ЖК-панелей были вложены огромные инвестиции, что привело к улучшению их качества и значительно снизило цену. Так, если в 2000 г. доля мониторов на ЖК-панелях в общем объеме выпуска составляла 5 %, то к 2006 г. составила 30 %. По данным Stanford Resourses, по объему производства мониторы с ЭЛТ в 2001 г. превзошли ЖК-мониторы более, чем в 2 раза. К 2006 г. соотношение изменилось на обратное.

Справедливости ради, необходимо отметить, что пока мониторы с ЭЛТ все еще лучше справляются с динамическим изображением компьютерных игр и видеомониторов. Кроме того, в силу менее точной цветопередачи фиксированным и, как правило, не слишком высоким экранным разрешением[‡] ЖК-дисп­леев мониторы с ЭЛТ используются для профессиональной работы с графикой (правда, в данном случае речь об экономии не идет вовсе) и если ситуация с разрешением ЖК-мониторов меняется в лучшую сторону, то о тонкой настройке цветовой температуры у них говорить не приходится.

Однако в отличие от ЭЛТ, где улучшение характеристик происходит благодаря постепенному совершенствованию технологий, развитие плоских индикаторов происходит нередко скачкообразно, благодаря появлению совершенно новых, перспективных техно­логий.

Одним из наиболее многообещающих вариантов, с технологической точки зрения, является замена в ЖК-экранах аморфного кремния на поликристаллический. Это дает возможность снизить размер транзисторов (на матрице), что позволяет увеличить разрешение экрана, снизить энергопотребление, увеличить скорость изображения. Кроме того, увеличивается рабочий ток транзисторов, а следовательно, уменьшается время переключения транзисторов, т.е. снижается инерционность на играх и видео. И, наконец, благодаря уменьшению размеров транзисторов появляется возможность создавать логические и управляющие цепи прямо на подложке, устройство становится более надежным благодаря уменьшению количества компонентов и этапов сборки панелей. Происходят обширные исследования и в других направлениях в рамках развития технологии ЖК-панелей.

Конкуренция на рынке ЖК-дисплеев настолько усиливается, что некоторые компании переключаются на производство других перспективных панелей, в первую очередь, на основе органических светодиодов (ОСД – OLED-Organic electroluminescent diods), неорганических электролюминесцентных дисплеев, светоизлучающих полимеров и т.п.

При использовании мониторов для ввода информации, кроме отмеченной выше клавиатуры, применяются еще два типа устройств, повышающих эффективность работы пользователя:

устройства прямого указания, позволяющие осуществлять ввод, непосредственно указывая положение точки на экране монитора; сюда относятся световое перо (внутри которого находится фотоэлемент, реагирующий на освещенность экрана), а также сенсорные экраны, позволяющие пользователю давать указания компьютеру, прикасаясь пальцем к экрану;

устройства косвенного указания, позволяющие задавать координаты точек на экране с помощью графических планшетов, рычагов со сферой (джойстик) и т.п. (наибольшее распространение получили устройства типа «мышь», они предназначены для быст­рого перемещения курсора (специального указателя, светящейся точки экрана) в любую позицию экрана и включения определенных функций в указанных точках, «мышь» перемещается по любой гладкой горизонтальной поверхности; несколько кнопок, имеющихся на ее поверхности, аналогичны по своему назначению часто употребляемым клавишам клавиатуры).