vnĚjŠÍ pamĚti a i/o zaŘÍzenÍ

Výpočetní systémy I - přednáška č.5 1

VNĚJŠÍ PAMĚTI A I/O ZAŘÍZENÍVNĚJŠÍ PAMĚTI A I/O ZAŘÍZENÍ

Výpočetní systémy I

5. přednáška


Obsah probírané problematikyObsah probírané problematiky

Pevné disky – HDDDisková pole – ATA RAIDOptická paměťová médiaPřenosná média s vysokou kapacitouMonitoryTiskárnySkenery


Pevné disky - HDDPevné disky - HDD

Zkratka odvozena ze slov HardDiscPoužívá se pro nepřechodné ukládání dat (data zůstanou na disku zachována i po vypnutí napájení PC)Disk obsahuje pevné plotny (většinou 2 - 5 ) diskového tvaru, vyrobené z hliníku či skla (na rozdíl od disket se plotny nemohou ohýbat)


Činnost pevného diskuČinnost pevného disku

Nad otáčejícími-se plotnami se pohybují hlavy, které čtou a zapisují data do soustředných prstenců (stop), rozdělených na segmenty (512ti bytové sektory)

Každá plotna má dvě strany, na něž je možné ukládat data

Shodně umístěné stopy na obou stranách všech ploten tvoří cylindr


HDD má většinou jednu hlavu pro každou stranu plotny, hlavy jsou připevněny ke společnému závěsu hlav, tj. pohybují se společně

Během provozu se hlavy nedotýkají povrchu ploten, po vypnutí PC jsou přesunuty na vnitřní cylindr, kde přistanou –tzv. zaparkování hlav

Obvyklá rychlost otáčení pevných disků je 7 200 otáček za minutu, existují i disky s 15 000 otáčkami za minutu

Velikost dnešních HDD se pohybuje v desítkách až stovkách GB


Parametry výkonu HDDParametry výkonu HDDZákladní parametry, ovlivňující výkon disku:

Přenosová rychlost – rychlost, s jakou je HDD s řadičem schopen předávat data do systému, závisí zejména na sestavě hlav disku a dále na řadiči.

Pro výpočet přenosové rychlosti je třeba znát:

Rychlost otáčení disku – v otáčkách za minutu

Průměrný počet sektorů ve stopě

Max. přenosová rychlost (MB/s) = (Počet sektorů ve stopě * 512 bytů * otáčky za minutu) / 60 sekund / 1048 000 bytů


Průměrná doba vyhledávání – průměrná doby, kterou disk potřebuje k přesunu hlav jednoho cylindru, na druhý, náhodně vybraný cylindr, udává se milisekundách

Průměrná doba vyhledávání (ms) = celková doba, potřebná pro vykonání určitého počtu náhodných vyhledávání různých stop / počet vyhledávání

Latence – průměrná doba, která je nutná k tomu, aby se hlavy dostaly nad požadovaný sektor poté, kdy se nastavily nad správnou stopu, udává se také v milisekundách

Průměrná doba přístupu – průměrná doba, kterou disk potřebuje k tomu, aby se hlava dostala nad požadovaný sektor a mohla se číst data na něm uložená, dána součtem průměrné doby vyhledávání a latence


Disková pole - ATA RAIDDisková pole - ATA RAIDZkratka RAID odvozena ze slov Redundant Array of Independent Disks

Cílem vývoje diskového pole bylo zvýšit:

výkonnost systémů určených pro ukládání dat

odolnost systémů proti chybám

Základem je skupina HDD, vzájemně propojených pomocí speciálního SW a HW

OS pracuje se skupinou disků jako s diskem jediným


Typy diskových políTypy diskových políRAID 0 (proužkování) – data současně zapisována na všechny disky v poli, vysoká rychlost čtení a zápisu, nízká bezpečnost, nutné min. 2 diskyRAID 1 (zrcadlení) – data, zapsaná na jeden disk duplikována i na druhý disk, vysoká odolnost vůči chybám, ale nulové zvýšení výkonuRAID 2 (kontrola a oprava chyb na úrovni bitů) – data jsou po bitech zapisována na několik disků, ECC je zapisován na ostatní disky, vysoká výkonnost, zvýšená odolnost ale nutný velký počet disků – v současné době nejsou na trhu dostupné žádné řadiče pro RAID 2


RAID 3 (proužkování s paritou) – kombinace RAID1 s dalším diskem, využívaným pro zápis paritních dat, vysoká odolnost proti chybám (ztracená data lze dopočítat na základě parity)RAID 4 (zápis dat po blocích s paritou) – podobný RAID3, ale data jsou na disky zapisována po větších blocích, vysoký výkon při čtení velkých souborůRAID 5 (zápis dat po blocích s distribuovanou paritou) – vychází z RAID4, ale parita je zapisována na několik diskůRAID 6 (zápis po blocích s duplicitním zápisem distribuované parity) – založena na RAID5, ale paritní informace jsou zapisovány dvakrát a jsou vypočítávány dvěma různými metodami


Optická záznamová médiaOptická záznamová médiaZkratkou CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory) se označují nejen optická média, ale i mechaniky pro práci s těmito médiiExistují i další formáty:CD-R (CD-Recordable) aCD-RW (CD-ReWritable), rozšiřující původní technologii CD-ROM o možnost zápis datDVD (Digital Versatile Disc)CD mechaniky, sloužící ke čtení datových disků, se podobají přehrávačům zvukových CD, hlavním rozdílem jsou obvody, zajišťující dodatečnou kontrolu a opravu chyb


Princip práce CD-ROM mechanikyPrincip práce CD-ROM mechaniky

Čtení informací je založeno na rozdílném odrážení paprsku od jamek a pevnin na disku Spodní strana disku je osvětlována laserovým paprskem a fotocitlivý senzor zachytává odrazy tohoto světla. Pokud světlo dopadne na:pevninu – je odraženo zpětjamku – neodrazí se téměř vůbecPři přechodu laseru z pevniny na jamku či naopak zaznamená senzor změnu odraženého světla a je detekován bit 1, v oblasti beze změn je detekován bit 0


Laser, používaný pro čtení, má obvykle vlnovou délku 780 nm a výkon 1 mW

Jamky jsou vyraženy do jediné spirálovité stopy (dlouhé 5,77 km), její závity jsou vzdálené o 1,48 (1,6) mikronu

Stopa je rozdělena na sektory, čtené rychlostí 75 sektorů za minutu

Na disku, umožňujícím uložení záznamu o délce 74 min je 333 000 sektorů, každý sektor se dělí na 98 rámců informací, z nichž každý obsahuje 33 bytů - kapacita sektoru je 3 324 bytů, celková kapacita CD je 700 MB


Celý disk je rozdělen na 6 částí:Oblast pro uchycení média – využívá CD-ROM pro uchycení média, nejsou zde žádná data

Oblast kalibrace výkonu – je na mechanikách CD-R/CD-RW, mechanika si zde testuje optimální výkon laseru, potřebný pro provedení záznamu

Oblast programové paměti – také jen na CD-R/CD-RW, využívána pro ukládání tabulky obsahu, v době, kdy záznam ještě není dokončen, po dokončení záznamu je TOC přepsána do zaváděcí oblasti


Zaváděcí oblast – uloženy počáteční adresy a délky všech stop, délka oblasti pro data a programy a informace o jednotlivých zaznamenaných sekvencíchOblast pro data a programy – začíná ve vzdálenosti 25 mm od středu médiaUkončovací oblast – označuje konec oblasti pro data a programy nebo konec jedné záznamové sekvence, neobsahuje žádná data, je to pouze značka


Výkon mechanik CD-ROMVýkon mechanik CD-ROMZákladní parametry, ovliňující výkon mechaniky:

Přenosová rychlost – určuje, s jakou rychlostí je mechanika schopna číst velké soubory, udávána dvěma způsoby:CD/DVD: základní přenosová rychlost ( CD – 153,6 KB/s, DVD – 1,385 MB/s) * rychlost udávaná na mechanice (40x)Mechaniky pro čtení:CD-R – dvě rychlosti (zápis, čtení)CD-RW – tři rychlosti (zápis média CD-R, zápis média CD-RW, čtení)DVD-ROM – čtyři rychlosti (první tři shodné s CD-RW, poslední určuje rychlost při čtení DVD médií)


Přístupová doba – u mechanik se měří stejně jako u HDD, tj. je dána zpožděním mezi přijetím příkazu pro čtení a okamžikem načtení prvního bitu dat, udává se v milisekundách, skutečná přístupová doba závisí na tom, kde jsou data na disku umístěnaVelikost zásobníku či Cache paměti – levné mechaniky vybavovány menším zásobníkem, to může způsobit horší výkonVyužití CPU – závisí na třech faktorech: rychlost mechaniky, velikost zásobníku a typ rozhraní, ke zvýšení výkonu a snížení zátěže CPU využívají řadiče IDE mechanismu DMA (přímý přístup do paměti)


Přenosná média s vysokou Přenosná média s vysokou kapacitoukapacitouVyužívají se pro přenos a zálohování rozsáhlých datových souborů, bezpečné uschování dat, apod.

Existují tři druhy přenosných médií:

Disková média (magnetická, floptická, magnetooptická) – kapacita nižší než u páskových médií, rychlejší přístup k jednotlivým souborům (metoda náhodného přístupu k datům), rychlá při kopírování jednoho či dvou souborů, ale pomalá při kopírování velkých objemů dat


Příklad magnetického média:Mechaniky Iomega Zip – určeny pro média o kapacitě 100 až 250 MB, dodávány mechaniky s rozhraním IDE či SCSI, jak externí, tak i interní, ve srovnání se standardní 3,5“ disketou mají cca dvojnásobnou tloušťku Problémem těchto mechanik byla jejich spolehlivost – tzv. klapot smrti (mechanika se opakovaně pokouší číst médium a zničí jak toto médium, tak i sama sebe)


Příklady floptických médií:Mechaniky Iomega Jaz – určeny pro média s kapacitou 1 či 2 GB, proto lze tato média oprávněně nazvat přenosnými pevnými disky, byly vyráběny pouze s rozhraním SCSI. nevýhoda vysoká cena, výroba již byla zastavenaMechaniky Iomega Peerles – určeny pro přenosné pevné disky o kapacitách 10 a 20 GB, součástí disků jsou hlavy pro čtení a zápis, umístěné v utěsněném pouzdře, firma Iomega uvedla na trh moduly rozhraní IEEE1394 a USB 1, předpokládá se uvedení modulů pro USB 2 a SCSI


Média standardu Flash Memory – média skládající se ze speciálních paměťových čipů, které nepotřebují k udržení svého obsahu žádné napájení, mají většinou podobu malých karet

Typy médií Flash Memory:Compact Flash – založena na technologii ATA, díky které se médium po připojení do PC chová jako pevný disk, označený vlastním písmenem jednotky Smart Media – jednodušší médium typu Flash Memory, příslušná karta obsahuje pouze paměť bez řídících obvodů , nevýhodou jsou problémy se zpětnou kompatibilitou


MultiMedia Card – novější médium Flash memory, navržené pro užití v digitálních fotoaparátech, mobilních telefonech, MP3 přehrávačích a videokamerách. MMC využívají pro připojení k PC jednoduché sériové rozhraní se 7 vývody a obsahují nízkopaměťové čipy Flash ROMMemoryStick – vyvinutá firmou SONY, mají speciální přepínač, zajišťující ochranu před nechtěných přepisemPC Card – jako média Compact Flash se po připojení k PC chovají jako další pevný disk (technologie ATA)


Pásková média – vhodné médium při přístupu k mnoha souborům současně (sekvenční přístup), obvykle nelze jednotlivé soubory na pásce měnit či smazat, je nutné celou pásku vymazat a poté přepsat – vhodné pro zálohování celých disků či OS

Kritéria výběru páskových mechanik:Množství dat, které je potřeba zálohovatRozhraní mechanikyRychlost zálohováníStandard pásek, který odpovídá potřebám zálohováníCenu mechaniky a médiíSoftware a ovladače, dodaných s mechanikou


MonitoryMonitoryDůležitá součást rozhraní mezi uživatelem a PCPři výrobě monitorů může být použito několik technologií:CRT motinory(Cathode Ray Tube) – používá se při výrobě TV obrazovek. CRT obsahuje vzduchoprázdnou elektronku, jeden konec elektronky obsahuje elektronová děla (RGB) a na druhém, rozšířeném konci, se nachází obrazovka, jejíž vnitřní povrch je pokryt sloučeninou fosforu.


Princip tvorby obrazu:Po zahřátí emituje elektronové dělo proud elektronů o vysoké rychlostiElektrony jsou přitahovány na druhý konec elektronkyPaprsek je zaostřován do určitého bodu na mřížce vychylovacími a zaostřovacími cívkami, které jsou podél elektronkyPo zasažení elektronky se daný bod rozsvítí, čímž se stane viditelným z druhé strany obrazovkyZobrazení barev je dosaženo tím, že děla jsou v elektronce tři, každé z nich vyzařuje proud elektronů pro jednu ze základních barev – zelenou, modrou a červenou


Vnitřní povrch obrazovky je pokryt třemi vrstvami fosforu, z nichž každá je určena pro jednu z uvedených barevNa vnitřní straně obrazovky se nachází stínící maska, slouží k seskupení vždy tří bodů různých barev do skupiny – výsledná barva je pak tvořena prokládáním různobarevných bodů na vnitřní straně obrazovkyBody mřížky se po dopadu paprsku rozsvítí, avšak začnou rychle zhasínat –obraz musí být obnovován. Rychlost obnovování obrazu se nazývá obnovovací frekvence (optimální hodnota je 85 Hz a výše)


Výroba velkých LCD panelů je shodná s technologií výroby LCD displejů pro notebookyVýhodami LCD panelů jsou nízké odlesky, dokonale plochý obraz, dokonalé zarovnání obrazu,nízká spotřeba, žádné elektromagnetické vyzařováníNevýhodami je zatím poněkud omezené maximální rozlišení a velké pořizovací náklady, zobrazení na LCD panelu je pomalejší než u CRT monitoru a ani kvalitní LCD panely nejsou schopné zobrazit takové množství velmi světlých a tmavých odstínů jako CRT monitory

LCD panelyLCD panely


Princip práce plochého panelu:Světlo v plochém panelu prochází přes 2 polarizační filtry z tekutých krystalů – úkolem prvního filtru je řízení směru procházejícího světla, úkolem druhého je změna množství procházejícího světlaU barevných LCD displejů je jeden bod obrazovky tvořen třemi buňkami – každá pro jednu barvu (RGB)Čím více světla projde přes buňku, tím je daný bod panelu světlejšíZobrazení barev je stejné jako u CRT monitorů – prokládáním bodů o různých barvách


Kritéria kvality monitoruKritéria kvality monitoruRozlišení – množství detailů, které je monitor schopen zobrazit, vyjadřuje se pomocí počtu horizontálně a vertikálně zobrazených bodů (pixelů), čím je zobrazený počet bodů vyšší, tím více detailů je na obraze vidětRozteč mřížky – vyjadřuje vzdálenost mezi jednotlivými body na stínítku, čím je rozteč bodů menší, tím je kvalita obrazu vyššíFrekvence – monitor by měl podporovat vertikální a horizontální frekvence, které generuje grafický adaptér na svém výstupu:


Frekvence:Horizontální (řádkování) – běžně v rozmezí od 31,5 do 90 kHzVertikální (obnovovací frekvence) důležitá z hlediska člověka, určuje stabilitu obrazu, ergonomická hranice minimálně je 75 Hz Jas a kontrast obrazu – jen u LCD:Jas – udává se v kandelách ne čtvereční metr, čím vyšší jas, tím lepší panel Kontrast – udává se pomocí kontrastního poměru, vyjadřujícího rozdíl jasů mezi černou a bílou, čím vyšší je kontrastní poměr, tím je text ostřejší a barvy sytější


Prokládaný a neprokládaný režim – U neprokládaného režimu elektronový paprsek přejíždí obrazovku řádek po řádku – z levého horního rohu do pravého spodníhoU prokládaného režimu paprsek také přejíždí obrazovku shora dolů, ale dvakrát: nejprve jsou překresleny všechny liché řádky a teprve poté všechny sudé – obraz je překreslován zdánlivě rychleji, ale dochází k třepání obrazuDalší – velikost monitoru (15 - 42 palců), spotřeba energie, ochrana zdraví (vyzařování, správa napájení), ovládání


Barvy a kvalita zobrazeníBarvy a kvalita zobrazeníStarší digitální monitory byly digitální a barvy se vytvářely pouze zapnutím či vypnutím příslušného paprsku – pro 3 paprsky je pak max. počet zobrazitelných barev 8 (23)

Firma IBM zvýšila počet barev na 16 tím, že začala používat u grafických adaptérů a monitorů další signál, určující intenzitu paprskuČlověk hodnotí kvalitu obrazu podle počtu barev – vývojáři IBM přešli k analogovým obvodům, umožňujícím zobrazit každou s možných barev s 64 úrovněmi intenzity – počet barev se zvýšil na 262 144 (643)


Standardy grafických adaptérů:Grafické adaptéry VGA – umožňuje rozlišení 640 x 480 bodů, nabízející 16 barev, minimální podporovaná vertikální frekvence musí být 60 Hz, minimální podporovaná horizontální frekvence je 31,5 kHzGrafické adaptéry SVGA – nabízí rozlišení 800 x 600 či 1024 x 768 a stejný či větší počet barev jako VGA adaptéryStandardy VESA SVGA – současné standardy VESA pokrývají téměř všechny kombinace rozlišení a počtu barev až do 1 280 x 1 024 s 16 miliony barev (24bitová barevná hloubka), pro rozlišení 1 880 x 1 440 vytvořila VESA formát GTF (General Timing Format)


TiskárnyTiskárnyPoužívají se tam, kde nestačí zobrazení informací na obrazovce displeje

Základní rozdělení tiskáren je na:

Znakové – tisknou jen omezenou množinu znaků (zastaralé)

Grafické – mohou tisknout libovolné geometrické objekty a tedy i libovolné objekty


Dále lze tiskárny rozdělit z hlediska realizace vlastního tisku:Mechanické – dnes se již používají pouze jehličkové tiskárny ( jednotlivé body obrazu jsou na papíře, vytvářeny jehličkami, které tisknou úderem přes barvicí pásku)Nemechanické – lze dále rozdělit na:Tryskové (inkoustové) – sada trysek vystřeluje kapičky inkoustu, ty jsou vychylovány elektrostatickým polem, aby dopadly na místo, kde mají vytvořit bod Výhody: kvalitní tisk, nízká pořizovací cenaNevýhody: vyšší provozní náklady, zasychání trysek


Termografické – v tiskové hlavě jsou tělíska, která lze elektrickým impulsem zahřát na vysokou teplotu, tiskne se přes barvicí pásku, pokrytou voskovou vrstvou, ta se ohřeje o rozpuštění barevný vosk se přenese na papírVýhody: velmi kvalitní tiskNevýhody: nákladný provoz (vysoká cena barvicí pásky)Elektrografické – vytváření obrazu je založeno na elektrografickém principu, jako u kopírek, patří sem především laserové tiskárnyVýhody: kvalitní tisk, značná rychlost tisku, přijatelné provozní nákladyNevýhody: vyšší pořizovací cena


Princip elektrografického tisku:Tiskárna přijímá kódy znaků, které mají být vytištěnyZnaky jsou převedeny na elektrické signály, kterými je modulován laserový paprsekPaprsek je pomocí optické soustavy vychylován, tak aby dopadal na tiskový válec s elektricky nabitým povrchemV místech dopadu paprsku dojde k vybití náboje Na válec je nanášen toner, který ulpívá pouze na osvětlených (vybitých) místechBarva je elektrostaticky přenášena na papír a fixováno pomocí vyhřívacích válečků


SkenerySkeneryFunkce skeneru je založena na snímání obrazové grafiky a přenos její digitalizované formy do paměti PCTypy skenerů – ruční, ploché (stolní), rotační a knižní skeneryParametry skenerů: Rozlišení – do jaké podrobnosti ze snímané předlohy lze skenerem skenovat Interpolace – zda zařízení dokáže znásobit dané rozlišeníBarevná hloubka – kolik barevných odstínů dokáže skener rozlišit


Princip snímání předlohy (ploché skenery):

Pod skleněnou deskou se pohybuje světelný zdroj

Světlo vyzařované zdrojem projde sklem a odrazí se od předlohy (světlá místa odráží více světla a tmavá méně)

Odražené světlo je soustavou zrcadel dopraveno na detektory CCD, které jej přemění na elektrický proud (jeho intenzita odpovídá množství odraženého světla)

Prvky CCD jsou uspořádány v řádcích po třech (RGB), tyto tři nasnímané obrázky se na monitoru složí do jednoho obrazu v přirozených barvách


ZÁVĚR PŘEDNÁŠKYZÁVĚR PŘEDNÁŠKY

Děkuji za pozornost!

vnĚjŠÍ pamĚti a i/o zaŘÍzenÍ

Documents