KVD PeF ZČU
Velká kniha o počítačích
Václav Vrbík 3.11.2009
Obsah 1
Předmluva ............................................................................................................................................ 1-6
2
Jak pracuje automatický test po zapnutí ............................................................................................... 2-6 2.1
3
Jak probíhá zavádění z disku ................................................................................................................. 3-8 3.1
4
5
6
4.1
Paměť operačního systému .............................................................................................................. 4-12
4.2
Operační systém: software a hardware ............................................................................................ 4-14
Jak pracuje paměť RAM ...................................................................................................................... 5-15 5.1
Zápis dat do RAM.............................................................................................................................. 5-16
5.2
Čtení z RAM ...................................................................................................................................... 5-17
Jak pracuje mikroprocesor .................................................................................................................. 6-17 Mikroprocesor................................................................................................................................... 6-18
Jak pracuje paměť cache pro RAM ...................................................................................................... 7-19 7.1
8
Zavádění operačního systému z disku................................................................................................. 3-9
Jak pracuje operační systém ............................................................................................................... 4-11
6.1 7
Automatický test při zapnutí počítače ................................................................................................ 2-7
Ukládání dat ..................................................................................................................................... 7-21
Jak pracuje disková paměť .................................................................................................................. 8-23 8.1
Zápis a čtení bitů na disku ................................................................................................................ 8-24
8.2
Formátování disku ............................................................................................................................ 8-25
8.3
Zápis souboru na disk ....................................................................................................................... 8-26
8.4
Čtení souboru z disku ........................................................................................................................ 8-27
9
Jak pracují disketové mechaniky ......................................................................................................... 9-27
10
Jak pracují pevné disky ..................................................................................................................... 10-29
11
Jak pracují paměti cache pro disk...................................................................................................... 11-31 11.1
12
Jak pracují mechaniky CD ROM. ........................................................................................................ 12-34 12.1
13
14
Paměť cache pro disk ...................................................................................................................... 11-32
Mechanika CD ROM ........................................................................................................................ 12-35
Jak pracují magneticko optické mechaniky ....................................................................................... 13-36 13.1
Zápis dat na magneticko optický disk ............................................................................................. 13-37
13.2
Čtení dat z magneticko optického disku ......................................................................................... 13-37
Jak pracují Bernoulliho mechaniky .................................................................................................... 14-38
14.1 15
16
17
18
19
20
Jak pracují mechaniky zálohovacích magnetických pásek ................................................................. 15-39 15.1
Záložní mechanika s čtvrtpalcovou kazetou (QIC) .......................................................................... 15-40
15.2
Záložní mechanika s digitální audio páskou (DAT) ......................................................................... 15-41
Jak pracuje diskové pole ................................................................................................................... 16-42 16.1
Pole zrcadlových disků .................................................................................................................... 16-43
16.2
Pole disků s rozloženým záznamem ................................................................................................ 16-44
Jak pracuje sběrnice .......................................................................................................................... 17-44 17.1
Přenos dat po sběrnicích ................................................................................................................. 17-45
17.2
Rozdíly ve sběrnicích ....................................................................................................................... 17-46
Jak pracuje klávesnice ....................................................................................................................... 18-47 18.1
Klávesy s kapacitní vazbou ............................................................................................................. 18-48
18.2
Klávesy s galvanickou vazbou ......................................................................................................... 18-48
18.3
Klávesnice a kódy kláves ................................................................................................................. 18-49
Jak pracuje displej počítače............................................................................................................... 19-50 19.1
Stolní monitor VGA ......................................................................................................................... 19-51
19.2
Displej s tekutými krystaly .............................................................................................................. 19-53
Jak pracuje paralelní port.................................................................................................................. 20-54 20.1
21
23
24
25
Paralelní port .................................................................................................................................. 20-55
Jak pracuje myš................................................................................................................................. 21-56 21.1
22
Bernoulliho mechanika ................................................................................................................... 14-38
Mechanická myš ............................................................................................................................. 21-57
Jak pracuje modem ........................................................................................................................... 22-58 22.1
Modem ........................................................................................................................................... 22-58
22.2
Světelné signály na panelu modemu .............................................................................................. 22-61
Jak pracuje skener a optické rozpoznávání znaků ............................................................................. 23-62 23.1
Plochý skener .................................................................................................................................. 23-63
23.2
Ruční skener .................................................................................................................................... 23-64
23.3
Optické rozpoznávání znaků ........................................................................................................... 23-65
Jak pracují počítače s perem ............................................................................................................. 24-67 24.1
Počítače s perem ............................................................................................................................. 24-67
24.2
Rozpoznávání znaků a pohybu pera. .............................................................................................. 24-68
Jak pracuje topologie sítě ................................................................................................................. 25-68
26
25.1
Sběrnicová síť .................................................................................................................................. 25-69
25.2
Kruhová síť s rámcem (Token Ring) ................................................................................................ 25-70
25.3
Hvězdicová síť ................................................................................................................................. 25-71
Jak pracuje komunikace v síti ............................................................................................................ 26-71 26.1
27
28
Jak pracují bitové a vektorové fonty ................................................................................................. 27-73 27.1
Bitové fonty..................................................................................................................................... 27-74
27.2
Vektorové fonty .............................................................................................................................. 27-75
Jak pracuje bodová tiskárna.............................................................................................................. 28-76 28.1
29
Laserová tiskárna ............................................................................................................................ 29-78
Jak pracuje inkoustová tiskárna ........................................................................................................ 30-80 30.1
31
Bodová tiskárna .............................................................................................................................. 28-76
Jak pracuje laserová tiskárna ............................................................................................................ 29-77 29.1
30
Komunikace v síti ............................................................................................................................ 26-72
Inkoustová tiskárna ........................................................................................................................ 30-80
Jak pracuje tepelná tiskárna ............................................................................................................. 31-81 31.1
Tepelná barevná tiskárna ............................................................................................................... 31-82
1 Předmluva
1 Předmluva Zlí čarodějové mají svoje kouzelné hůlky, čarodějnice mají svoji havěť – kreatury převlečené za domácí dobytek, mystici mají své golemy – probuzené k životu, aby vykonávali rozkazy svých pánů. My máme svoje osobní počítače! Náš výklad bude založen na dvou myšlenkách: První: Kouzlo, kterému rozumíme je bezpečnější a mocnější než kouzlo, které neznáme. Druhá: Znalost sama o sobě je užitečným a cenným cílem. Výklad je zamýšlen jako odpověď na vaše dohady o tom co se děje uvnitř té záhadné skříňky před kterou sedíte denně několik hodin. Pokud výklad vaše dohady zodpoví nebo vyvolá dohady nové, byl cíl splněn. Výklad bude zaměřen na počítače IBM PC kompatibilní provozované obvykle s procesory Intel a nejčastěji s operačním systémem MS DOS. Výklad některých obecnějších témat se hodí i pro počítače Apple Macintosh a pracovní stanice Unix.
2 Jak pracuje automatický test po zapnutí Po zapnutí počítače probíhá řada činností, jejichž cílem je zjistit, zda všechny komponenty počítače pracují správně a vydat varování, když něco není v pořádku. Předtím, než se počítač pokusí zavést operační systém, musí se přesvědčit, že všechny hardwarové komponenty běží a že CPU a paměť fungují správně. To je úkol pro automatický test při zapnutí nebo také POST (Power-On Self-Test). Procedury POST jsou první věcí, kterou počítač po zapnutí provádí a poprvé se dostane varování, když jsou s některou komponentou potíže. Varování je ve formě výpisu na obrazovku nebo ve formě řady zvukových signálů. POST umí obvykle odhalit jen nejzávažnější typy chyb.
2-6
2.1 Automatický test při zapnutí počítače
2.1 Automatický test při zapnutí počítače Po zapnutí počítače projde pevně naprogramovanou cestou do CPU elektrický signál a vynuluje obsah jejich vnitřních paměťových registrů. Jeden z registrů CPU, kterému říkáme programový čítač, je tímto signálem nastaven na určitou hodnotu. V případě počítačů AT a novějších je to hodnota F000h. Hodnota v programovém čítači sděluje jednotce CPU adresu následující instrukce, která se má provést. V tomto případě je to adresa začátku zaváděcího programu, který je trvale uložen na adrese F000h. Je to v části paměti, ze které se dá jenom číst (ROM) a kde je uložen základní systém pro vstup a výstup s počítače (BIOS). Jednotka CPU použije tuto adresu pro spuštění zaváděcího programu ROM BIOS, který okamžitě vyvolá POST. Jednotka CPU nejprve zkontroluje sama sebe a program POST tak, že z různých míst čte kód programu a porovnává jej s pevně nastaveným vzorovým záznamem. Jednotka CPU posílá signály na systémovou sběrnici, do obvodů, které spojují všechny části počítače vzájemně mezi sebou a zjišťuje, zda jsou všechny ve stavu schopném provozu. U starších počítačů, které mají v paměti ROM jádro programovacího jazyka BASIC je kontrolována i tato část. Jednotka CPU kontroluje systémový časovač (timer), který je odpovědný za to, že všechny činnosti počítače jsou řádným způsobem časově sladěny, synchronizovány. Procedura POST testuje paměť nacházející se v adaptéru obrazovky a videosignály, které řídí obrazovku. Potom je kód BIOS adaptéru obrazovky připojen ke všeobecnému kódu BIOS v paměti. Právě v tomto okamžiku uvidíme něco poprvé na obrazovce počítače. Procedura POST provede řadu testů, které mají za úkol zjistit, zda paměťové obvody pracují bez závad. Jednotka CPU do každého obvodu zapíše určitá data, vzápětí je přečte a srovná to co přečetla s daty, která tam předtím zapsala. Během testu je na obrazovce vidět neustále se měnící číslo, které udává velikost paměti, která již byla otestována. 2-7
3 Jak probíhá zavádění z disku
Jednotka CPU zjišťuje, zda je správně připojena klávesnice a zda byly stisknuty nějaké klávesy. Procedura POST vysílá určeným způsobem signály po sběrnici do všech diskových mechanik a z přijaté odpovědi určuje typy dostupných mechanik. Na počítačích AT a novějších se výsledky zjištěné procedurou POST srovnávají se záznamem v paměti CMOS, kde je seznam komponent, které jsou v počítači instalovány. Paměť typu CMOS je schopna uchovávat data i po vypnutí počítače, a to tak dlouho, dokud může odebírat nepatrný proud z baterie. Jakékoliv změny v základní konfiguraci systému musí být zaznamenány do paměti CMOS. U systémů, které obsahují komponenty s vlastním systémem BIOS, jako jsou např. karty řadičů disků, je tento kód BIOS rozpoznán a začleněn jako část vlastního systémového BIOS a paměti. Počítač je nyní připraven udělat další krok v procesu zavádění: načíst operační systém z disku do paměti.
3 Jak probíhá zavádění z disku Osobní počítač neumí dělat nic užitečného pokud na něm neběží operační systém – software, který dovolí používat jiné programy. Ale předtím, než na něm může operační systém běžet, potřebuje počítač mít nějaký pro prostředek, jak načíst operační systém z disku do paměti RAM. Tomuto prostředku říkáme zavaděč (anglicky bootstrap, čti bůtstrep nebo krátce boot, bůt) – je to malé množství kódu, které je trvale uloženo v počítači. Anglický název bootstrap vtipně vystihuje o co jde, protože počítač dělá něco na vlastní pěst, bez jakékoliv podpory zvenčí. Operace zavádění toho ovšem mnoho neudělá. Ve skutečnosti má pouze dvě funkce: jednou je spuštění POST neboli automatického testu po zapnutí (popsáno v předcházejícím odstavci) a druhou hledání mechaniky s operačním systémem. Jsou-li tyto dvě funkce provedeny, operace zavádění spustí proces čtení souborů s operačním systémem z disku a jejich přenos do paměti RAM.
3-8
3.1 Zavádění operačního systému z disku
Proč počítače používají takovouto okliku? Proč není jednoduše do počítače trvale začleněn vlastní operační systém? Některé jednodušší nebo specializované počítače to dělají, mají permanentní operační systém (na speciálním čipu). Ve většině případů se však operační systém zavádí z disku, a to ze dvou důvodů: Při zavádění z disku je jednodušší provést modernizaci operačního systému. Když výrobce chce přidat nové prvky nebo odstranit vážnou chybu, tak jednoduše vydá novou sadu disket. Někdy je nutné změnit pouze jediný soubor, kterým se napraví nějaká závada v operačním systému. Pro výrobce je levnější distribuovat operační systém na disketách než navrhnout mikročip, který by obsahoval operační systém. Ale i pro uživatele počítačů je jednodušší instalovat nový operační systém z disket než vyměňovat čipy. Dalším důvodem pro zavádění operačního systému z disku je to, že tento způsob dává uživateli možnost volby operačního systému. Třebaže většina osobních počítačů postavených na bázi mikroprocesoru používá MS-DOS, existují i jiné operační systémy jako OS/2, DR DOS a UNIX. U některých počítačů lze dokonce volit, který operační systém se má při zapnutí počítače použít.
3.1 Zavádění operačního systému z disku Poté, co POST zkontroluje všechny hardwarové komponenty počítače, se ke slovu dostane zaváděcí program uložený v paměti ROM BIOS počítače a podívá se, zda je v mechanice A založena naformátovaná disketa. Jestliže ji tam najde, tak program na určitých místech na disketě hledá soubory, které tvoří první dvě části operačního systému. Za normálních okolností tyto soubory na disku nevidíte, protože jsou opatřeny zvláštními atributy, které je skrývají před příkazem DOS DIR. Na většině osobních počítačů mají tyto soubory jména IO.SYS a MSDOS.SYS. Na strojích IBM se tyto soubory jmenují IBMBIO.COM a IBMDOS.COM. Když je disketová mechanika prázdná, snaží se zaváděcí program tyto systémové soubory nalézt na pevném disku. Jestliže ani na pevném disku tyto soubory nejsou, vydá zaváděcí program chybové hlášení. Jakmile je zjištěn disk se systémovými soubory, zaváděcí program přečte data uložená v prvním sektoru na disku a uloží je na určené místo do paměti RAM. Data 3-9
3 Jak probíhá zavádění z disku
zde uložená představují zaváděcí záznam. Zaváděcí záznam je na všech formátovaných discích uložen vždy na témže místě. Zaváděcí záznam je pouze 512 bytů dlouhý, právě tolik, kolik je potřeba pro přečteni obou skrytých systémových souborů. Když zaváděcí program BIOS načte zaváděcí záznam do paměti na hexadecimální adresu 7C00h, skokem na tuto adresu mu předá řízení. Zaváděcí záznam převezme řízení počítače a do paměti RAM uloží IO.SYS. Soubor IO.SYS má v sobě rozšíření ROM BIOS a obsahuje rutinu zvanou SYSINIT, která řídí zbytek zavádění. Zaváděcí záznam není po uložení IO.SYS nadále zapotřebí a v paměti RAM je přepsán jiným kódem. SYSINIT přebere řízení procesu spouštění a do paměti RAM uloží MSDOS.SYS. Soubor MSDOS.SYS spolupracuje s BIOS při obsluze souborů, spouštění programů a odpovědích na signály z hardware. SYSINIT prohledává kořenový adresář zaváděcího disku a hledá soubor se jménem CONFIG.SYS. Jestliže CONFIG.SYS existuje, nařídí SYSINIT programu MSDOS.SYS, aby zpracoval příkazy uložené v tomto souboru. Soubor CONFIG.SYS je soubor vytvořený uživatelem. Příkazy uložené v tomto souboru sdělují operačnímu systému jak provádět jisté operace, jako třeba kolik souborů nejvíce smí být současně otevřeno. CONFIG.SYS může také obsahovat instrukce pro uložení ovladačů zařízení. Ovladače zařízení u soubory, které obsahují kód rozšiřující schopnosti BIOS pro řízení paměti nebo hardwarových zařízení. SYSINIT nařídí programu MSDOS.SYS, aby do paměti uložil soubor COMMAND.COM. Tento soubor operačního systému se skládá ze tří částí. V jedné z nich je další rozšířeni funkcí pro vstup a výstup. Tato část je uložena do paměti s BIOS a stává se permanentní součástí operačního systému. Druhou část COMMAND.COM tvoří vnitřní příkazy systému DOS, např. DIR, COPY a TYPE. Jsou uloženy na horní konec konvenční paměti RAM, kde je mohou přepsat aplikační programy, pokud tuto paměť potřebují.
3-10
3.1 Zavádění operačního systému z disku
Třetí část COMMAND.COM je použita pouze jednou a pak už není zapotřebí. Tato část hledá v kořenovém adresáři soubor se jménem AUTOEXEC.BAT. Tento soubor je vytvořen uživatelem počítače a obsahuje řadu příkazů DOS pro dávkové soubory případně jména programů, které si uživatel přeje spustit pokaždé, když se počítač zapne. Počítač je nyní plně připraven k práci.
4 Jak pracuje operační systém Jméno nejpopulárnějšího operačního systému pro osobní počítače založené na procesoru Intel – MS-DOS – je zkratkou z anglického Microsoft disk operating system (česky: diskový operační systém firmy Microsoft). Původně byl operační systém předurčen jako prostředek pro provádění většiny složitých operací vstupu a výstupu – pro komunikací s nejrůznějšími diskovými mechanikami. Brzy se však z operačního systému stal univerzální prostředník mezi osobním počítačem a programovým vybavením na něm spouštěným. Bez operačního systému by každý programátor sám musel přijít na to, jak něco vypsat na obrazovku, jak poslat data na tiskárnu, jak zapisovat nebo číst z disku a jak provést mnoho dalších funkcí, které leží na pomezí hardware a software. Operační systém je však něco víc než jen způsob, jak usnadnit život programátorům. Operační systém vytváří základnu pro veškeré programové vybavení, které používáte. Bez operačního systému byste nebyli schopni uložit soubory vytvořené dvěma různými programy na tentýž disk, protože každý z nich by asi měl vlastní formát pro ukládání souborů. Operační systém vám rovněž dává do ruky nástroj, kterým můžete provést úkony mimo aplikační program – rušení a kopírování souborů, výpis seznamu i provedení příkazů uložených v dávkovém souboru. Operační systém nepracuje osamoceně. Je závislý nejen na spolupráci s jinými programy, ale i na propojení se systémem BIOS. Jak je zřejmé z předcházejících odstavců, určité části operačního systému jsou přečteny z disku, připojeny k BIOS a poté spojeny s ovladači zařízení. Všechno dohromady pak provádí rutinní hardwarové funkce. Operační systém je ve skutečnosti složen ze všech těchto tří komponent. Bylo by 4-11
4 Jak pracuje operační systém
zjednodušením, kdybychom si mysleli, že operační systém jsou pouze soubory uložené na disku, který máte v počítači. Dohromady provádějí BIOS, ovladače zařízení a operační systém tolik funkcí, že je nemožné popsat jejich složitost na pár stránkách s obrázky. Tady se jen podíváme jak operační systém používá paměť a ukážeme si typický jednoduchý příklad aplikačního programu, který má na tiskárně vytisknout jediný znak.
4.1 Paměť operačního systému Po uložení systému MS-DOS do počítače se jednotlivé části operačního systému objeví na různých místech paměti, na adresách začínajících od 0 do 1MB. Tato oblast paměti je logicky souvislá. Některé adresy jsou však ve skutečnosti
fyzicky
umístěny v různých částech počítače – v obvodech ROM, které obsahují BIOS počítače, v obvodech BIOS v adaptéru obrazovky, v obvodech RAM na základní desce počítače nebo v paměťových obvodech přídavných desek.
Obrázek 1 Žena u počítače
Prvních 1024 bytů paměti obsahuje vektory přerušení, které nastavuje jak BIOS tak i DOS; mohou je nastavovat i aplikační programy. Vektor obsahuje adresu začátku programové rutiny uložené někde v paměti, která se má spustit v případě, že určitá část počítače dá zvláštní signál, kterému říkáme přerušení. Následujících asi 256 bytů obsahuje data pro BIOS, kterým říkáme příznaky. Používají se pro evidenci nejrůznějších vnitřních stavů systému. V této oblasti je rovněž vyrovnávací paměť klávesnice o délce 16 bytů, ve které se přechodně ukládají informace
4-12
4.2 Operační systém: software a hardware
o stisknutých klávesách, když je počítač jinými úkoly tak zaneprázdněn, že na stisk těchto kláves nemůže reagovat bezprostředně. Zbytek paměti RAM až do 640KB představuje pracovní paměť. Do ní se běžně ukládá program COMMAND.COM, ovladače zařízení, programy trvale uložené v paměti (tzv. rezidentní programy) a aplikační programy. Manažery paměti, např. QEMM386 nebo HIMEM.SYS dodávaný se systémem MS-DOS 5.O, dovolují přemapování této paměti tak, že ovladače zařízení, rezidentní programy a v DOS 5.0 i COMMAND.COM, lze uložit do paměti nad 640KB, která je rezervována pro aplikační programy. Když takový manažer paměti nepoužijeme, je COMMAND.COM ukládán na nejvyšší adresy pracovní paměti, kde ho smí jakýkoliv aplikační program přepsat, potřebuje-li paměť. Nad pracovní pamětí je oblast, jejiž část je rezervována pro použití v BIOS na nejrůznější typy adaptérů obrazovky a pro takové adaptéry jako jsou síťové karty a řadiče pevných disků. Manažery paměti mohou paměť přidělenou těmto zařízením přemapovat tak, že vzniknou větší souvislé oblasti nepoužité paměti, do které mohou manažery ukládat další ovladače zařízení a programy. Posledních přibližně 64KB oblasti paměti obsazuje BIOS uložený v obvodech ROM počítače. V systému IBM je zde také uložen jednoduchý kód zvaný ROM BASIC. Třebaže DOS umí přímo adresovat pouze prvních 1024KB paměti, dovolují zvláštní adresovací techniky používat i paměť s adresami nad 1024KB, označovanou jako rozšiřující paměť. Tuto paměť RAM lze použít pouze u procesorů Intel 80286 a vyšších. V systému DOS nelze do rozšiřující paměti ukládat programy, lze ji použít pouze pro data.1
1
Služby DOS jsou vždy přístupné prostřednictvím dodatků operačního systému k BIOS. Navíc příkazy DOS jako např. DIR, které jsou součástí COMMAND.COM, vytvářejí další sadu příkazů operačního systému. A to co pokládáme za jednoduché příkazy DOS, jako jsou FORMAT, CHKDSK a MEM jsou ve skutečností pomocné programy. Jsou k dispozici jen tehdy, jestliže jsou uloženy na disku buď v aktuálním adresáři nebo v některém z adresářů na něž je vytvořena cesta.
4-13
4 Jak pracuje operační systém
4.2 Operační systém: software a hardware Jakmile na výzvu systému DOS zadáte z klávesnice jméno aplikačního programu, COMMAND.COM vystaví na BIOS požadavek, aby se pokusil nalézt zadaný program a zkopírovat ho z disku na první volnou adresu v paměti RAM. Jakmile je program hodně velký, může přemazat i samotný COMMAND.COM. Prostřednictvím spuštěného aplikačního programu sdělíte požadavek na tisk nějakého dokumentu. Software vygeneruje přerušení, což je zvláštní kód, kterým se po operačním systému požaduje okamžitá pozornost. Hodnota spojená s přerušením informuje operační systém, jaká služba se právě požaduje. V případě tisku jednoho znaku je číslo přerušení jednoznačné, protože ho lze použít pro řadu služeb. Číslo přerušení je rovno 33 a služba pro zaslání jednoho znaku na tiskárnu má číslo 5. Signál přerušení je zpracován čipem pro řízení přerušení, což je speciální čip v počítači, který nedělá nic jiného než že jen zpracovává přerušení. Čip pro řízení přerušení upozorní procesor, že nastalo přerušení, které je nutno ihned vyřídit. Aby si procesor zapamatoval stav výpočtu v okamžiku přerušení, uloží si adresu naposled prováděné instrukce aplikačního programu na zásobník. Zásobník je zvláštní oblast paměti pro ukládání adres. Pracuje jako zásobník na čisté talíře v restauraci. Každý nový talíř stlačí ty předchozí dolů, přičemž jako první se vždy odebírá ten talíř, který byl v zásobníku uložen jako poslední. Procesor se podívá do části pamětí RAM, kde jsou zapsány vektory přerušení, aby mezi nimi našel položku pro přerušení číslo 33, služba 5. Vektor pro toto přerušení obsahuje adresu paměti obsazenou systémem ROM BlOS.2 Rutina BIOS odešle jeden byte dat paralelním portem na tiskárnu.
2
U některých počítačů lze zrychlit tisk pomocí spooleru. Je-li spooler uložen v paměti, změní si vektor přerušení 33 služba 5 tak, aby obsahoval adresu rutiny v paměti RAM používanou spoolerem. Tato rutina obvykle nařídí procesoru, aby tisknutý znak zapsal do vyrovnávací paměti v rozšířené paměti RAM, kde znak čeká, až ho vlastní rutina spooleru odešle na tiskárnu.
4-14
4.2 Operační systém: software a hardware
Jestliže tiskárna není schopna z nějakého důvodu data přijmout – chybí v ní papír nebo je dosud zaměstnána tisknutím předchozího znaku – zašle do počítače chybový signál. BIOS chybu rozpozná a pokusí se o nápravu bez vědomí aplikačního programu. Náprava spočívá v tomto případě v několikrát opakovaném pokusu zaslat daný znak znovu do tiskárny. Když se to ani teď nepodaří, vygeneruje BIOS vlastní přerušení, které vyvolá podobný řetěz činností, končící spuštěním rutiny uložené do paměti RAM aplikačním programem. Tato rutina vypíše na obrazovku chybové hlášení. Jestliže rutina BIOS skončí úspěšně, vygeneruje BIOS návrat z přerušení, neboli instrukci IRET. IRET sděluje procesoru, aby použil adresu uloženou na vrcholu zásobníku. Procesor pokračuje ve zpracování programu od adresy odebrané ze zásobníku. Adresa označuje místo v programové rutině, kterou procesor prováděl, když došlo k přerušení 33. Skokem na tuto adresu procesor pokračuje v provádění programu od toho místa, kde přestal. Jestliže aplikační program při ukládání do paměti přepsal COMMAND.COM, operační systém při ukončení programu znovu zapíše COMMAND.COM do paměti RAM.
5 Jak pracuje paměť RAM Paměť s libovolným přístupem (Random Access Memory, RAM). Předtím, než počítač může udělat cokoliv užitečného, musí přesunout z disku do paměti RAM nějaký program. Data obsažená v dokumentech, tabulkách, grafice, databázích nebo i jiném typu souboru musejí být rovněž, byť na okamžik, uložena do RAM. Teprve potom může software použít procesor na zpracování těchto dat.
Obrázek 2 Diskety
5-15
5 Jak pracuje paměť RAM
Bez ohledu na to, jaký typ dat počítač používá a bez ohledu na to, jak složitá se nám tato data mohou zdát, se pro počítač jeví pouze jako nuly a jedničky. Dvojková čísla jsou přirozeným jazykem počítačů. Někdy se tomu říká strojový jazyk počítače. Lidé neovládají dvojkovou reprezentaci tak plynně jako počítače, proto se objevují tato dvojková čísla i obrazovce ve srozumitelnějším tvaru – obvykle jako znaky abecedy nebo jako desítková čísla. Když např. klávesnicí zadáte velké písmeno A, operační systém a software použijí konvenci známou jako ASCII, ve které určitá čísla představují určitá písmena. Počítač umí manipulovat s čísly, a to s jejich nejjednodušší strojovou reprezentací – s dvojkovým kódem. Ale pro programátory a uživatele je snazší pracovat s čísly desítkovými. Velké písmeno A je zapsáno jako desítkové číslo 65; B jako 66; C je 67 atd. V počítači jsou však čísla stále zobrazována pomocí jejich dvojkových ekvivalentů. Je to dvojková notace, která vyplňuje vaše disky a paměť počítače. Když ale počítač zapnete, je RAM "prázdná". Postupně se však zaplní nulami a jedničkami, které se přečtou z disku nebo vytvoří při práci počítače. Když počítač vypnete, vše co bylo v paměti RAM je ztraceno, zmizí.
5.1 Zápis dat do RAM Software ve spolupráci se systémem DOS vysílá elektrické signály na adresové vedení, což jsou mikroskopické nitky elektricky vodivého materiálu vyleptaného do čipu RAM. Signál identifikuje místo, kam se mezi množství adresových vedení v čipu RAM mají data zapsat. V každém paměťovém místě v čipu RAM, kam lze uložit data, elektrický signál sepne (uzavře) tranzistor, který spojen s datovým vedením. Jakmile jsou tranzistory sepnuty, software vyšle elektrické signály po zvoleném datovém vedení. Každý signál představuje bit – buď 1 nebo 0 – v přirozeném jazyku procesoru a tedy konečnou jednotku informace, se kterou počítač manipuluje. Jakmile se elektrický signál dostane na adresové vedení, podle kterého byly sepnuty tranzistory, elektrický puls projde sepnutým tranzistorem a nabije kondenzátor. 5-16
5.2 Čtení z RAM
Tento proces je neustále opakován, aby se obnovoval náboj na kondenzátoru, který by se jinak pomalu vybíjel. Vypne-li se napájení počítače, všechny kondenzátory svoje náboje ztratí. Každý nabitý kondenzátor představuje bit 1. Nenabitý kondenzátor bit 0. Počítač používá bity 1 a 0 jako dvojková čísla pro uložení a manipulaci s informacemi.
5.2 Čtení z RAM Pokud chce software přečíst data uložená v RAM, odešle po adresovém vedení jiný signál, který ještě jednou sepne tranzistory k němu připojené. Všechny nabité kondenzátory podél tohoto adresového vedeni se vybijí přes obvod vytvořený sepnutým tranzistorem, čímž se po datovém vedení odešlou elektrické pulsy. Software pozná, ze kterých datových vedení přišel puls a chápe ho jako 1, každé vedení, ze kterého puls nepřišel jako 0. Kombinace jedniček a nul z osmi datových vedení tvoří jeden byte dat.
6 Jak pracuje mikroprocesor Třebaže mikroprocesor INTEL 80386 – první 32 bitový procesor použitý v osobních počítačích se systémem MS-DOS – není tím nejvýkonnějším procesorem používaným v počítačích, zůstává důležitý, protože představuje minimální standard výpočetních kapacit. V jednom okamžiku umí manipulovat až s 32 bity dat, proto zpracovává instrukce dvakrát až třikrát rychleji než jeho předchůdce, lntel 80286, který je zase alespoň pětkrát rychlejší než Intel 8088 z původního osobního počítače IBM PC. Šest základních jednotek Intelu 80386 získává data a instrukce z paměti, ukládá obojí tam, kde je ostatní jednotky budou mít po ruce, rozpoznává smysl instrukcí a pak instrukce provádí a výsledky zapisuje zpět do RAM. Váš vlastní stůl je analogií pro činnost procesoru 80386. Ekvivalentem kódu a dat, se kterými čip pracuje jsou zprávy a jiné písemnosti uložené ve vstupní přihrádce. V ní je například požadavek vašeho šéfa na vyhotovení nějaké zprávy a obchodní data, která máte ve zprávě použít. Protože jste v okamžiku, kdy požadavek přišel, zaneprázdněni něčím jiným, uložíte tento požadavek do zásobníku věcí k vyřízení. Když jste se současnou prací hotovi, podíváte se na tento 6-17
6 Jak pracuje mikroprocesor
požadavek a jeho data a šéfovu instrukci zpracujete. Pak ke zprávě připojíte rozdělovník a uložíte ji do výstupní přihrádky. Mikroprocesor je ale při provádění těchto úkolů daleko efektivnější než vy, protože tyto akce provádí souběžně. Jednotlivé kroky odpovídají úlohám, které provádí jednotka pro styk se sběrnicí, jednotka pro předběžné načtení kódu, jednotka pro dekódování instrukce, výpočetní jednotka a segmentová a stránková jednotka. Uvedený příklad ukazuje, jak tyto části spolupracují při provádění jednoduchého sečítání 2 + 2.
6.1 Mikroprocesor Jednotka pro předběžné načtení kódu, která zařadí instrukci do fronty na zpracování, požádá jednotku pro styk se sběrnicí, aby z paměti načetla další instrukci – v našem případě instrukci pro sečtení dvou čísel. Úkolem jednotky pro předběžné načtení kódu je zajistit, aby jednotka pro dekódováni instrukci nezahálela po dobu načítání další instrukce. V tutéž dobu segmentová a stránková jednotka převádějí adresu instrukce z virtuální adresy na fyzickou adresu (skutečnou adresu v paměti), které rozumí jednotka pro styk se sběrnicí. Jednotka pro styk se sběrnicí, která spojuje čip 386 s ostatními částmi počítače, získává instrukci z RAM a odesílá ji do jednotky pro předběžné načteni kódu. Jednotka pro předběžné načtení kódu posílá instrukci dál do dekódovací jednotky, která zkoumá kód, indentifikuje ho jako instrukci pro sečtení dvou čísel, přetvoří ji do tvaru, kterému porozumí výpočetní jednotka a odešle ji do této jednotky.
Obrázek 3 Sestava
Uvnitř výpočetní jednotky se řídící jednotka chápe koordinace kroků potřebných pro provedení každé instrukce. Ostatním částem výpočtové jednotky 6-18
6.1 Mikroprocesor
nařizuje, co mají dělat a kdy. Pro tuto operaci zašle řídící jednotka virtuální adresu prvního čísla, které se má sečíst a které je uloženo v RAM, do jednotky pro test ochrany. Jednotka pro test ochrany zabezpečuje, že operace prováděné výpočetní jednotkou jsou přípustné, že nedochází k přepsání míst v paměti nebo k přístupu k zařízením tam, kde to není dovoleno. V našem případě jednotka pro test ochrany zjistí, že řídicí jednotka má povolen přístup na adresu, kde je první číslo a předá ji dál segmentové a stránkové jednotce, kde je virtuální adresa převedena na fyzickou adresu, aby ji mohla použít jednotka pro styk se sběrnicí. Jednotka pro styk se sběrnicí najde a přečte číslo uložené na dané adrese. Číslo putuje zpět přes jednotku pro test ochrany do výpočetní jednotky, kde uloženo do jednoho z vnitřních registrů čipu. Registry pracují ve výpočetní jednotce jako kombinace zápisníkové a pracovní paměti. Podobné operace se provedou i s druhým číslem, které se také uloží do výpočetní jednotky. Aritmeticko-logická jednotka vypočte součet čísla, právě získaného z RAM a čísla, které bylo uloženo do vnitřních registrů. Řídicí jednotka přikáže jednotce pro styk se sběrnicí, aby součet uložila do RAM. Segmentová a stránková jednotka převedou virtuální adresu uvedenou řídící jednotkou pro uložení součtu na fyzickou adresu, čímž instrukce končí.3
7 Jak pracuje paměť cache pro RAM Čipy paměti RAM najdeme sice ve všech počítačích, ale ne všechny paměťové čipy jsou si rovny. Některé jsou při obnovování elektrických napětí v kondenzátorech, které představují data, rychlejší než ostatní. Rychlost obnovování –
3
Existuje několik typů mikroprocesoru 386. Většinou se liší pracovní rychlostí, která je vyjadřovaná v megahertzech. Pro 386 také existují verze DX a SX. SX komunikuje s pamětí RAM pomocí 32 bitů široké cesty. SX interně zpracovává data po 32 bitech v jednom okamžiku, stejně jako to dělá čip DX, ale komunikace s RAM probíhá po 16 bitech najednou. Jedinou výhodou čipu SX je levnější a jednodušší zabudování do starších koncepcí PC. Od doby dokončení 386 vytvořil Intel procesor 80486. Ten rovněž manipuluje s 32 bitovými daty najednou, ale oproti 80386 má dvě komponenty navíc Jednou je zabudovaná 8k paměť cache pro RAM, která pracuje jako vnější RAM cache Ta zajišťuje, že procesor není nucen čekat na data, která ke své práci potřebuje. Další komponentou je vestavěný matematický koproresor.
7-19
7 Jak pracuje paměť cache pro RAM
obvykle vyjadřovaná v nanosekundách – ovlivňuje rychlost, s jakou může mikroprocesor získat z paměti data, která má zpracovat. Čím jsou čipy RAM rychlejší, tím jsou dražší. Aby se cena osobních počítačů udržela nízko, používá většina výrobců pomalejší paměťové čipy pro hlavní objem paměti počítače a o něco rychlejší, dražší čipy RAM na základní desce jako externí cache RAM. Cache, obvykle obsahující obsahující 64 až 256 kilobytů paměti, pomáhá snížit zpoždění při přesunu dat mezi hlavní pamětí a procesorem. Paměť cache pro RAM má na urychlení přístupu k paměti tentýž vliv jako disková cache na urychlení přístupu k disku. Bez paměti cache by procesor rocesor po dobu několika cyklů musel nečinně zahálet, dokud by nedostal požadovaná data. data. Hodinový cyklus je nejkratší doba, během které se v počítači může provést nějaká operace. S pamětí cache si však počítač může data, která bude s největší pravděpodobností potřebovat, držet takříkajíc na dosah ruky. Data uložená v rychlých čipech lze procesoru doručit s minimálním zpožděním, někdy dokonce i bez jakéhokoliv zpoždění. Efektivnost paměti cache určují čují dva faktory. Jedním z nich je rychlost čipu použitého v paměti cache – čím je rychlejší, tím lépe. Dalším faktorem je algoritmus, který paměť cache používá pro určení dat, která se mají do paměti cache uložit. Čím přesněji je algoritmus schopen odhadnout, která data se budou v následujících okamžicích zpracovávat, tím vyšší je míra úspěšnosti zásahu.
Obrázek 4 Přenos
Pokud váš software potřebuje nová data, paměť cache vyřadí data, která byla v rychlých čipech nejdéle a nahradí je novými daty a daty z okolních adres paměti. Děje se tak podle pravidla FIFO, které je založeno na principu, že data, která byla delší dobu nepoužita zřejmě nebudou budou softwarem požadována ani v budoucnu.
7-20
7.1 Ukládání dat
Váš software prostřednictvím procesorové jednotky (CPU) vyžaduje pro použití data nebo další část programového kódu. Paměť cache pro RAM, která je zabudována jako část hlavních obvodů v počítači, zachytí tento požadavek na jeho cestě do paměti RAM. Paměť získá data z RAM a dodá je do CPU. Když jsou data načítána poprvé, může to trvat několik hodinových cyklů, po které CPU nemůže dělat žádnou užitečnou práci. Paměť cache si uloží kopii dat, která již přečetla z RAM do rychlých paměťových čipů, které používá pouze cache. Jakmile cache zjistí, že CPU zahálí, načítá data nebo kód programu z paměťových adres, které sousedí s původní adresou dat, jež software požadoval. Paměť cache uloží tato data do rychlých paměťových čipů. Pokud v příštích okamžicích požaduje software další data pro CPU, testuje cache, zda již data nejsou uložena v rychlých paměťových čipech. Jestliže ano, může cache tato data odeslat do CPU přímo, bez nutnosti přístupu do pomalé hlavní pamětí. CPU tak při výpočtech stráví kratší dobu čekáním. Potřebuje-li CPU změnit obsah části paměti, rozhoduje cache nejprve o tom, zda se měněná data nacházejí v rychlých paměťových čipech. Je-li tomu tak, cache srovnává zapsaná data se změnami a do hlavní paměti zapisuje data jen tehdy, když adresy v hlavní paměti RAM obsahují jiná data než jsou v rychlých čipech. Je to rychlejší než změna celého bloku dat. Poznámka. Kromě paměti cache pro RAM, se kterou se shledáme u mnoha osobních počítačů s mikroprocesory Intel 80386 a 80486 DX a SX, obsahují procesory 486DX svou vlastní 8K cache uvnitř čipu samotného. Tato vnitřní paměť cache pracuje podobným způsobem jako externí cache pro RAM a ještě více urychluje přenosy dat.
7.1 Ukládání dat RAM má jednu obrovskou nevýhodu. Až na několik málo výjimek ztrácejí všechny paměťové čipy informaci v nich uloženou jakmile počítač vypneme. Naštěstí existuje někoIik způsobů, jak nabídnout trvalou paměť která zůstane nedotčena i po 7-21
7 Jak pracuje paměť cache pro RAM
vypnutí proudu. Nejobvyklejší formou trvalé paměti jsou magnetické disky. Magnetická paměť se rovněž používá ve formě páskových mechanik – trvalé paměti, která je k dispozici téměř tak dlouho jak počítače existují. Popularitu získávají nová zařízení, která pro čtení nebo zápis dat používají laseru. A nedávno výrobci počítačů provedli průlom směrem k trvalým paměťovým čipům, které neztrácejí obsah při vypnutí počítače, protože mají svůj vlastní, vestavěný zdroj napětí. Všechny tyto metody trvalého ukládání dat mají svoje výhody a nevýhody. Diskety jsou univerzální, přenosné a levné, ale mají malou kapacitu a nízkou rychlost. Pevné disky jsou pravděpodobně po všech stránkách nejlepším paměťovým médiem. Data zapisují a čtou rychle, mají kapacitu pro uložení velkého objemu dat a jejich cena za megabyte je nízká. Ale pevné disky jsou obecně nepřenosné, s výjimkou nových verzí prodávaných za vyšší ceny. Páskové mechaniky nabízejí téměř nekonečnou paměť za nízkou cenu, jsou však pomalé pro jiné použití než jako záložní médium. Některé nové formy pamětí slouží těm uživatelům osobních počítačů, kteří ukládají mimořádná množství dat. Mechaniky CD-ROM pojmou více než 500 megabytů dat na disk, který je identický s laserovým kompaktním diskem, na kterém je nahrána hudba – disky CD-ROM se přitom dají levně vyrábět. Jsou to ale zařízení, ze kterých lze pouze číst, což znamená, že můžete používat jen ta data, která byla na disk zapsána v okamžiku jeho výroby; klasické kompaktní disky nemůžete použít pro uložení vlastních dat. Informace lze ukládat na speciální zapisovatelná média CD-ROM v jednotkách k tomu určených. Náklady na pořízení takového vlastního kompaktního disku jsou zatím velmi vysoké. Magneticko-optické mechaniky používají podobně jako CD ROM pro čtení dat laser, ale mají tu výhodu, že data na ně můžete také snadno zapisovat. Jsou rychlé, přenosné a mají obdivuhodnou kapacitu paměti, ale jejich cena teprve nedávno klesla na úroveň, která je obecně dostupná. Dva typy paměťových čipů uchovávají svou informaci i po vypnutí počítače. Paměť
EPROM
(Erasable
Programmable
Read-Only
Memory,
vymazatelná,
programovatelná paměť umožňující jen čtení) nalezneme v téměř každém osobním počítači. Jsou to čipy, které obsahují informace pro zavádění systému. Jsou ale pomalé, a jejich data lze změnit pouze tehdy, když je před zápisem vystavíme ultrafialovému 7-22
7.1 Ukládání dat
záření. Paměťové čipy tzv. flash RAM, které kombinují možnost zápisu s možností udržet data, i když se zdroj napětí vypne, slibují stát se v budoucnu obecně používanou pamětí a mohou být ideálním trvalým paměťovým médiem. Dnes jsou však příliš drahé na to, aby zcela nahradily pevné disky. Navzdory těmto různým technologiím ukládání dat, má každá z nich podobný způsob záznamu dat a podobný způsob ukládání informace, aby ji bylo možno později opět nalézt. V další části se podíváme, jak různé druhy trvalé paměti řeší úlohu ukládání dat tak, aby je bylo možno snadno vyhledat a jak různá paměťová zařízení data zapisují a čtou.
8 Jak pracuje disková paměť Disky jsou nejobvyklejší formou trvalého ukládání dat. Jejich kapacita se pohybuje od několika set kilobyte až po několik gigabyte, všechny však mají určité prvky společné. Způsob jakým mechanika vytváří 1 nebo 0, může být odlišný, ale cílem je změnit mikroskopicky malé oblasti na povrchu disku tak, že určité oblasti představují 0 a jiné 1.
Obrázek 5 Plošně
Jiným společným prvkem je schéma, které udává, jak jsou data na disku organizována. Toto schéma určuje operační systém počítače, kterým je na většině počítačů MS-DOS. Operační systém řídí tolik operací v počítači, že mnozí uživatelé
8-23
8 Jak pracuje disková paměť
zapomínají, že DOS je zkratkou od “diskový operační systém”, a že jeho prvotní funkcí bylo řídit diskové mechaniky. Předtím, než lze na disk zapsat jakoukoliv informaci, musí být disk nejprve formátován. Formátování vytvoří na disku jakousi cestovní mapu, která mechanice umožní ukládat a vyhledávat data řádným způsobem. Tato cestovní mapa obsahuje magnetické kódy, které jsou zabudovány do povrchové vrstvy, tak aby povrch disku rozdělily na sektory (kruhové výseče) a stopy (soustředné kružnice). Data pak lze zaznamenávat logickým způsobem a lze k nim rychle přistupovat pomocí hlaviček pro čtení/zápis, které se pohybují sem a tam nad otáčejícím se diskem. Počet sektorů a stop na disku udává kapacitu. Poté, co je disk zformátován, je zápis nebo psaní i nejjednoduššího souboru složitým procesem, na jehož průběhu se podílí jak váš software, tak DOS, BIOS osobního počítače a mechanismus samotné diskové mechaniky. Operační systém musí umět najít na disku požadovaný soubor. Protože soubor může být rozprostřen do mnoha oddělených částí, musí existovat způsob, jak podržet informace o všech těchto částech. A musí existovat způsob, jak soubor vymazat a místo, které obsazoval, uvolnit pro uložení jiných souborů.
8.1 Zápis a čtení bitů na disku Předtím, než dojde k zápisu jakýchkoliv dat na disk, jsou kovové částečky v tenké magnetické vrstvě, která povrch disku pokrývá, rozmístěny zcela náhodným způsobem, což je podobná situace jako u zvukových pásek nebo videopásek. Aby došlo k přeměně náhodně rozptýlených částeček na data, musí procházet proud vinutou cívkou, která je navinuta na železném jádru ve čtecí/zápisové hlavě diskové mechaniky. Hlava je umístěna nad povrchem disku. Elektřina mění jádro cívky na elektromagnet, který dokáže pohybovat molekulami v povrchové vrstvě disku. Cívka prochází nad diskem a proud vinutím indukuje magnetické pole v jádru. Pole magnetizuje molekuly železa na povrchu disku a nutí je natočit své kladné póly směrem k zápornému pólu čtecí/zápisové hlavy a záporné póly ke kladnému pólu hlavy.
8-24
8.2 Formátování disku
Poté, co hlava na otáčejícím se disku vytvoří jeden magnetický proužek, je další proužek vytvořen hned vedle. Tyto dva proužky společně představují nejmenší diskrétní prvek dat, se kterým může počítač pracovat – bit. Jestliže bit má prezentovat hodnotu 1, tak se po vytvoření prvního proužku proud v cívce převrátí, takže magnetické póly cívky si vymění místa a molekuly druhého proužku jsou seřazeny v opačném směru. Jestliže bit má mít hodnotu 0, jsou molekuly v obou proužcích seřazeny v témže směru. Jakmile je uložen druhý bit, je polarita jeho prvního proužku vždy opačná než v proužku předcházejícím, aby se tak dalo najevo, že začíná nový bit. I ty nejpomalejší mechaniky potřebují na vytvoření každého pásku jen zlomek sekundy. Při čtení se do čtecí/zápisové hlavy, která pluje nad diskem, nepouští žádný proud. Místo toho dochází k magneticky opačnému pochodu než je zápis. Proužky polarizovaných molekul na povrchu disku jsou samy o sobě slabými magnety, vytvářejí tedy magnetické pole, kterým prochází čtecí/zápisová hlava. Pohyb hlavy magnetickým polem indukuje elektrický proud, který prochází vinutím v hlavě jedním nebo druhým směrem. Směr proudu závisí na polaritě proužků. Zjištěním směru pohybu proudu se počítač dozví, zda čtecí/zápisová hlava prochází přes 1 nebo 0.
8.2 Formátování disku První úlohou mechaniky je naformátovat disk, který má používat. Děje se to zápisem vzorku z nul a jedniček na povrch disku, jakýchsi magnetických značek. Vzorek rozdělí disk ve směru poloměru do sektorů a soustředných kruhů. Jak se čtecí/zápisová hlava pohybuje sem a tam nad otáčejícím se diskem, čte tyto magnetické značky, a zjišťuje, jaká je její poloha vzhledem k datům na povrchu disku. Spojením dvou nebo více sektorů na jedné stopě vzniká skupina neboli blok (cluster, blok). Počet byte v jedné skupině se může lišit v závislosti na verzi systému DOS použité při formátování disku a na velikosti disku. Skupina je nejmenší jednotkou, kterou používá DOS pro ukládání informace. I když má soubor třeba jen jeden byte, použije se pro uložení souboru celá 256 bytová skupina. Počet sektorů a stop a tím pádem i počet skupin, které může mechanika vytvořit na disku, určuje kapacitu disku.
8-25
8 Jak pracuje disková paměť
Mechanika vytvoří na začátku disku důležitou tabulku nazývanou FAT (file allocation table, tabulka umístění souborů). Tabulka FAT je místo, kam DOS ukládá informaci o struktuře adresáře disku a o tom které skupiny sektorů jsou použity pro uložení souborů. V novějších verzích systému DOS je identická kopie FAT uložena i na jiném místě pro případ, kdyby došlo k poškození dat v první tabulce FAT. Za normálních okolností nespatříte obsah žádné z tabulek FAT.
8.3 Zápis souboru na disk Jakmile zadáním příkazu nebo pomocí myši způsobíte, že váš software bude chtít zapisovat soubor na disk, tak program, který používáte, zašle do systému DOS příkaz, požadující, aby systém provedl kroky nezbytné k uložení souboru na disk. V tomto příkladě předpokládáme, že pro uložení souboru se jménem DOPIS.TXT používáte textový editor. Systém DOS změní strukturu adresáře uloženého ve FAT tak, aby obsahoval informaci o tom, že soubor se jménem DOPIS.TXT bude uložen do aktuálního adresáře (nebo jiného adresáře, pokud zadáte cestu k jinému adresáři). Systém DOS rovněž v tabulce FAT zjišťuje číslo skupiny sektorů, do které může soubor uložit, aniž by došlo k přepsání jiných dat, která již na disk byla uložena. V našem případě je ve FAT uvedeno, že pro zápis dat je volná skupina číslo 3. Z tabulky FAT systém DOS rovněž zjistí, že skupina 3 se skládá ze sektorů 2, 3, 4 a 5 na stopě 1. Systém DOS tuto informaci předá do systému BIOS počítače. BIOS za software vykoná detailní činnosti spojené s uložením souboru. Z paměti RAM, používané editorem, získá data, která tvoří soubor DOPIS.TXT. V tutéž dobu vydá příkaz řadiči disku, aby uložil zaslaná data, do sektorů 2 až 5 na stopě 1. Jestliže je soubor větší než počet byte obsažených v jedné skupině, požádá DOS tabulku FAT o udání polohy další skupiny sektorů, do které smí v ukládání souboru pokračovat. Skupiny sektorů na disku nemusí na sebe nutně vzájemně navazovat. Tabulka FAT obsahuje záznam o řetězu skupin sektorů, ve kterých je soubor uložen.
8-26
8.4 Čtení souboru z disku
Tento postup se opakuje tak dlouho, dokud systém DOS nenarazí na zvláštní kód, kterému říkáme příznak konce souboru. Nakonec systém DOS sdělí tabulce FAT, aby označila skupiny, které obsahují DOPIS.TXT – aby později DOS poznal, že tylo skupiny jsou již použity.
8.4 Čtení souboru z disku Pokud pomocí příkazu nebo položky z menu vašeho software vyvoláte funkci pro přečtení souboru se jménem DOPIS.TXT, váš software předá příkaz a jméno souboru do systému DOS. Systém DOS testuje v tabulce FAT, zda aktuální adresář obsahuje DOPIS.TXT. (Když v něm není. a vy jste nezadali úplnou cestu do adresáře, sdělí DOS danému software, že soubor nemůže najít, načež software vypíše vlastní chybovou zprávu.) Když systém DOS soubor DOPIS.TXT ve správném adresáři nalezne, dostane od tabulky FAT adresu první skupiny sektorů, která obsahuje začátek souboru a také adresu všech dalších skupin, které byly pro uložení souboru použity. Systém DOS předá informaci o adresách do BIOS, kde dojde k vydání povelu do řadiče diskové mechaniky, aby čtecí/zápisové hlavy ve správném pořadí přesunoval do skupin sektorů, které obsahují soubor, a tak přečetl soubor od začátku do konce. Mechanika odesílá data přečtená z disku přes BIOS, který je zapisuje do paměti RAM, kde je může dále zpracovat software.4
9 Jak pracují disketové mechaniky Uprostřed superrychlých a supervelkých pevných disků, magnetickooptických mechanik, mechanik CD ROM a všech ostatních nejnovějších high-tech zázraků je jistě těžké projevovat nadšení nad obyčejnými disketovými mechanikami. Jsou pomalé a ve srovnání s jinými typy mechanik ani nemají příliš velkou kapacitu.
4
Když požádáte software nebo DOS o zrušení souboru, nejsou data tvořící soubor ve skutečnosti z disku vymazána. Místo toho DOS přepíše informaci v tabulce FAT o skupinách sektorů patřících souboru tak, aby bylo zřejmé, že je lze použít pro jiné soubory. Data zůstávají na disku zachována do doby než jsou přepsána, proto můžete často zachránit soubor, který jste vymazali omylem.
9-27
9 Jak pracují disketové mechaniky
Přes všechny svoje nedostatky jsou disketové mechaniky podceňovaným zázrakem. Na disketě, kterou můžete strčit do kapsy nebo náprsní tašky může být umístěna celá kniha informací. Disketové mechaniky jsou přítomné prakticky u každého počítače, čímž se stávají jistým a výhodným prostředníkem, jak dostat data z jednoho osobního počítače na druhý. Žádné komunikační linky, sítě nebo infračervená spojení nejsou zapotřebí; jenom vyjmete disketu z jednoho stroje a založíte do druhého. Steve Jobs zkoušel na svém počítači NeXT zcela vyřadit disketové mechaniky a prosadit magneticko-optické mechaniky jako ideální metodu distribuce komerčního software. Myšlenka sice byla poznamenána technologickým idealismem, ale nikdo ji příliš neocenil. Pro všechno svoje všeobecné dědictví je disketa spolehlivá a respektovaná. Bude s námi v určité podobě žít ještě dlouhou dobu. Se svou dnešní kapacitou od 700 kilobyte po 2,88 megabyte mohou tyto 3,5’’ disky nést více dat, než jejich větší příbuzní. Jejich ochranné obaly znamenají že se nemusíme tak starat o to, jak s nimi zacházíme. Jsou neskonale levnější než výměnné pevné disky – tak levné, že jejich cena není rozhodujícím faktorem. A u přenosných počítačů jsou již standardem. Někdy snad budeme mít levnou, přenosnou paměť používající ploché paměťové čipy v provedení ne větším, než je kreditní karta. Ale ještě po dobu mnoha let si můžeme být jisti, že určitý druh disketových mechanik bude standardním vybavením každého osobního počítače. Zasouváme-li 3,5’’ disketu do mechaniky, zatlačí na soustavu páček. Jedna páčka otevře záklopku a obnaží se mylarová disketa potažená na obou stranách magnetickým materiálem vhodným pro záznam dat. Další páčky a soukolí pohnou dvěma čtecími/zápisovými hlavami tak, že se z obou stran téměř dotknou povrchu diskety. Hlavy, což jsou tenké elektromagnety, používají magnetické pulsy na změnu orientace kovových částeček roztroušených na povrchu diskety.
9-28
8.4 Čtení souboru z disku
Deska s elektronickými obvody mechaniky přijímá od řadiče disketové mechaniky signály obsahující data a povely pro zápis dat na disketu. Elektronické obvody převedou přijaté povely na signály, které řídí pohyb diskety a čtecích/zápisových hlav. Jestliže signály obsahují povely pro zápis dat na disketu, elektronika nejprve testuje, zda malým, uzavíratelným okénkem v jednom rohu pouzdra diskety neprochází světlo. Jestliže je toto okénko otevřeno, paprsek vycházející ze světelné diody na jedné straně je zjištěn fotodiodou na opačné straně diskety a mechanika ví, že disketa je chráněna proti zápisu a zápis nových dat odmítne. Motor umístěný vedle diskety otáčí hřídelí, která zapadne do zářezu ve středu diskety. Krokový motor, který se umí v závislosti na signálech z elektroniky otáčet kterýmkoli směrem o určitý úhel, pohne druhou hřídelí, která má na svém povrchu vysoustruženou spirálovou drážku. Raménko připojené ke čtecím/zápisovým hlavám dosedá v této drážce. Pohyb hřídele posunuje raménko sem a tam, čímž nastavuje čtecí a zápisové hlavy nad disketu. Když se hlavy ocitnou ve správné poloze, elektrický signál vytvoří magnetické pole v jedné ze dvou hlav a dojde k zápisu na horní nebo dolní stranu diskety. Při čtení dat hlavy reagují na magnetické pole tvořené kovovými částečkami na disketě. Poznámka: Nehledě na rozdíl ve velikosti a obalu, je disketa 5,25’’ jednoduše větší, pomalejší a méně složitou verzí diskety 3,5’’. Nemá žádná dvířka na otevírání, ale ochrana proti zápisu je také řešena pomocí testu existence zářezu a čtecí/záznamové hlavy pracují úplně stejně jako hlavy u menší mechaniky.
10 Jak pracují pevné disky Diskové plochy, na kterých jsou uložena data, se otáčejí velkou rychlostí hned od okamžiku zapnutí počítače (s výjimkou přenosných počítačů, které disk zapínají jen občas, aby se tak prodloužila životnost baterie). Každý přístup na mechaniky pevného disku při čtení nebo zápisu souboru má za následek sled pohybů čtecích/zápisových hlav, které se ovšem musí dít s mikroskopickou přesností. Tolerance mechaniky pevného 10-29
10 Jak pracují pevné disky
disku jsou tak přesné, že mezera mezi hlavou a povrchem disku je užší než síla lidského vlasu. Kapacita, formát a výkon pevných disků se od svého zavedení u prvního IBM XT s pevným diskem v roce 1980 dramaticky změnily. Ohlédneme-li se nazpět, kapacita 10 megabyte byla považována za úctyhodnou. Mechanika disku byla 3 až 4 palce silná a zabírala zásuvku pro mechaniku 5,25“ diskety. Přístupová doba 87 milisekund byla zlomkem přístupové rychlosti disketových mechanik. O deset let později už pevné disky obsahovaly 200 megabyte a jejich velikost byla menší než 3,5“ disketová mechanika. S přístupovou rychlostí 18 milisekund nejsou drahé a tudíž všeobecně použitelné. Nejmodernější mechaniky pevných disků uloží 120 megabyte nebo víc na výměnný disk ne větší než je krabička od zápalek. V budoucnosti bude zmenšování velikosti mechanik pokračovat se současným růstem jejich kapacity. Zapečetěné kovové pouzdro disku chrání vnitřní součásti před prachovými částicemi, které by se mohly dostat do uzounké škvírky mezi čtecí/zápisovou hlavou disku a způsobit tak havárii poškrábáním magnetického povrchu disku. Ve spodní části mechaniky je uložena deska logiky, která přijímá povely řadiče disků, řízeného operačním systémem. Deska logiky přetváří tyto signály do změn napětí, které nutí pohon hlav, aby s čtecími/zápisovými hlavami pohyboval nad povrchem disků. Deska také zajišťuje, že hřídel otáčející diskovými plochami se otáčí stálou rychlostí a hlavám nařizuje, kdy mají na disk psát a kdy z něho mají číst. U některých disků je řadič disků součástí desky s logikou. Hřídel připojená k elektrickému motoru pohání až osm diskových kotoučů s magnetickým povrchem rychlostí několika tisíc otáček za minutu. Počet kotoučů a složení magnetického materiálu na jejich povrchu určuje kapacitu disku. Moderní kotouče jsou obvykle pokryty vrstvičkou, jejíž tloušťka je asi 3 miliontiny palce. Pohon hlav s vysokou přesností zasouvá a vysouvá hřeben s raménky čtecích/zápisových hlav nad povrchem disků. Tím nastavuje hlavičky nad stopy, které leží v soustředných kružnicích na povrchu disku. 10-30
8.4 Čtení souboru z disku
Čtecí/zápisové hlavy se na koncích pohyblivých ramének nad povrchem otáčejících se ploch disku pohybují současně. Hlava zapisuje data zasílaná z řadiče disků tím, že na povrchu disku uspořádává (polarizuje) magnetické částečky; hlava čte data tak, že zjišťuje polaritu již uspořádaných částic. Když vy nebo váš software sdělíte operačnímu systému přání číst nebo zapisovat soubor, operační systém vyšle do řadiče pevných disků povel na přesun čtecích/zápisových hlav do místa, kde je uložena tabulka FAT. Operační systém čte FAT a určuje skupiny sektorů na disku, kde existující soubor začíná nebo kde je volné místo pro zápis nového souboru. Jeden soubor může být rozprostřen v mnoha stech oddělených skupinách sektorů. nacházejících se na několika plochách. Operační systém uloží začátek souboru do první skupiny sektorů, kterou jako neobsazenou najde v tabulce FAT. Tabulka FAT uchovává zřetězený záznam o skupinách sektorů obsazených souborem; každý odkaz v řetězci ukazuje na další skupinu sektorů obsahující další části souboru. Jakmile se jednou data z tabulky FAT dostanou přes elektroniku mechaniky a řadič disku zpět do operačního systému, začne operační systém vydávat mechanice příkazy, aby přemisťovala čtecí/zápisové hlavy nad povrchem disku a z otáčejících se ploch četla nebo na ně zapisovala skupiny sektorů. Když operační systém zapíše na disk nový soubor, přesune čtecí/zápisové hlavy zpět do FAT, kam zapíše seznam všech skupin sektorů se souborem.
11 Jak pracují paměti cache pro disk Nejpomalejší částí každého počítače jsou diskové mechaniky. Disky a klávesnice jsou jediné hlavní části vašeho osobního počítače, které obsahují pohyblivé součástky. Mechanické části se však pohybují v reálném světě hmoty a setrvačnosti. Bez ohledu na to, jak rychlé mohou být vaše disky, dělají z nich jejich mechanické komponenty lenocha ve srovnání s jinými prvky počítače, které přenášejí data rychlostí elektřiny. Existuje způsob, jak co nejvíce zmenšit vrozenou lenost disku. Některé mechaniky jsou rychlejší než jiné. Můžete se přesvědčit, zda soubory na disku nejsou 11-31
11 Jak pracují paměti cache pro disk
fragmentovány, tj. zda skupiny sektorů se souborem se nacházejí blízko sebe, takže čtecí/zápisové hlavy nemusejí cestovat přes celý disk, aby se dostaly k jednotlivým částem souboru. Nebo místo fyzického disku můžete používat logický RAM disk, který je vytvořen v paměti počítače a který pro počítač vytváří iluzi, že je skutečným fyzickým diskem. Jestliže však odhlédneme od těchto triků, je zcela nemožné zkrátit přístup k disku. Čtení programů a datových souborů z disku je základním prvkem pro jakýkoliv smysluplný výpočet. Nejúčinnějším a nejuniverzálnějším způsobem, jak se vyrovnat s malou rychlostí diskových mechanik, je použít pro ně paměť cache. Disková paměť cache podstatně urychluje operace ve vašem počítači, protože v paměti RAM uchovává ta disková data vaší aplikace, která jsou nejčastěji zapotřebí. Koncepce, na které je princip diskové paměti cache založen, je podobná jako u paměti cache pro RAM. (Viz „Jak pracuje paměť cache pro RAM“). Díky velkému rozdílu rychlosti diskové mechaniky a paměti, jsou výsledky, kterých dosahuje paměť cache pro disk daleko dramatičtější, než jakých dosahuje paměť cache pro RAM. K mání je několik programů realizujících paměť cache pro disk a jeden z nich je dokonce přímo dodáván se systémem DOS. Některé programy jsou lepší než jiné, ale i ta nejméně efektivní paměť cache pro disk je úžasná ve srovnání s diskem bez paměti cache. Dokonalejší řadiče disků se dodávají s obvody pro realizaci paměti cache ve své vlastní paměti RAM, takže tato cache nemusí používat paměť, kterou by mohly potřebovat vaše programy. Podobných výsledků však dosáhnete i použitím nepříliš drahého programu pro cache, který je trvale uložen v paměti, a který používá hlavní paměť systému pro urychlení činnosti vašich diskových mechanik.
11.1 Paměť cache pro disk Po spuštění programu pro realizaci paměti cache pro disk, si tento, v paměti trvale uložený program, vyhradí část konvenční nebo rozšiřující paměti pro svoje účely. Velikost této paměti, používané programem cache, se pohybuje mezi několika kilobyte až po několik megabyte RAM; obecně platí, že čím více paměti RAM může program cache užít, tím efektivnější je jeho přínos. Některé programy cache rezervují jen určitou 11-32
11.1 Paměť cache pro disk
část paměti; jiné si zaberou veškerou dostupnou paměť, ale později její části uvolňují pro potřebu ostatních programů. Jednotka CPU pod řízením vašeho aplikačního programu vydá pevnému disku povel na přečtení dat. Program cache tento požadavek na data zachytí. Program cache přečte data z disku, ale kromě těchto požadovaných dat si z disku nabere dat o něco víc, obvykle ještě z následující skupiny sektorů. Program cache předá požadovaná data do CPU, ale jich kopii si zároveň s daty přečtenými z vlastní iniciativy uloží do paměti RAM, kterou si předtím rezervoval. Během okamžiků, kdy CPU není aktivně zaměstnána prováděním instrukcí (což bývá poměrně často), převezme program cache řízení a přečte z disku ještě další data, která si uloží do RAM. Obvykle to jsou data z okolních sektorů těch souborů, které již byly čteny. Každý program cache má vestavěnou logiku, která inteligentním způsobem odhaduje, které skupiny sektorů bude aplikace v budoucnu požadovat. Inteligence této logiky ovlivňuje efektivnost programu cache. Požaduje-li později program další data, program cache opět tento požadavek zachytí a zkoumá, zda požadovaná data již nejsou v paměti RAM. Pokud tam jsou, předá je ihned do CPU bez toho, že by se přistupovalo k disku. Pokud tam ale nejsou, program cache opakuje předešlý proces, získá nová data, předá je do CPU a společně s daty přečtenými z dalších skupin sektorů je uloží do RAM. Jak se paměť RAM používaná programem cache postupně zaplňuje, program cache uvolňuje ty části paměti, kde jsou data, která již nebyla delší dobu použita a nahrazuje je daty, která byla přečtena při posledních přístupech na disk. Jakmile váš program vydá povel pro zápis dat na disk, některé programy cache data zachytí a zápis na disk odloží do té doby, než se uvolní jednotka CPU. Tím se urychlí činnost počítače, protože pozornost CPU není tříštěna mezi psaní na disk a ostatní aktivity. Jestliže se soubor zapisovaný na disk ještě nachází v paměti RAM řízené programem cache, pak program cache zapíše na disk jen ty skupiny sektorů, které se 11-33
12 Jak pracují mechaniky CD ROM.
skutečně změnily. Některé programy cache rovněž odkládají zápis na disk a provádějí ho pak v posloupnosti, která minimalizuje pohyby čtecích/zápisových hlav diskové mechaniky. Poznámka: Řadiče disků s funkcemi programu cache pracují podobně jako tyto programy, ale nepoužívají žádnou hlavní paměť, dokonce ani pro logiku, která řídí cache nebo manipulaci s uloženými daty. Řadiče disků s vlastní cache nabízejí obecně vyšší výkonnost, ale jsou dražší než samotné programy cache.
12 Jak pracují mechaniky CD ROM. Mechaniky CD ROM instalované v počítačích používají malé plastikové disky, jako jsou kompaktní disky s hudebními nahrávkami, ze kterých se pomocí laserového paprsku čtou data. A jako hudební CD mohou i počítačové CD disky obsahovat obrovská množství informací, protože pro záznam dat se používá světlo ve formě mnohem soustředěnější, než lze dosáhnout u čtecích/zápisových hlav konvenční mechaniky, která pracuje na magnetickém principu. Stejně jako hudební CD je běžný počítačový CD zařízením, ze kterého lze pouze číst; pro zápis vlastních dat ho použít nemůžete. Obrovská kapacita a možnost jen číst se u disků CD ROM snoubí s relativně nízkou cenou mechanik, čímž z nich činí skvělý prostředek pro ukládání velkých objemů dat, u kterých není požadavek časté aktualizace. Snadno najdete disky CD ROM, které jsou zaplněny klipy, fotografiemi, encyklopediemi, kompletními díly pana Shakespeara a celými policemi literatury. Mechaniky CD ROM jsou rovněž základními částmi multimediálních systémů, které používají obrazové a zvukové soubory, což jsou mamuti mezi datovými soubory. Příjemným přídavkem jejich multimediálních schopností je to, že většina mechanik CD ROM také umí přehrávat normální hudební kompaktní disky. Na rozdíl od přehrávače hudebních CD je počítačová mechanika CD ROM takřka zbavena tlačítek displejů s tekutými krystaly s výjimkou tlačítka pro uložení a odebrání disku a jednoho světélka, které svítí, když se z disku právě něco čte. Mechanika CD ROM je řízena programem z počítače, který odesílá povely do řídicích obvodů, které jsou buď na základní desce počítače nebo na zvláštní desce instalované do rozšiřujícího 12-34
12.1 Mechanika CD ROM
slotu. Program spolu s obvody ovládají špičkové technologické komponenty, proti kterým se diskové mechaniky zdají být primitivními.
12.1 Mechanika CD ROM Motor neustále mění rychlost otáčení disku CD ROM tak, aby se část disku pod detektorem pohybovala stále stejnou rychlostí. Z laseru vychází soustředěný paprsek světla, který je dále zaostřován zaostřovací elektronikou Laserový paprsek proniká ochrannou vrstvou umělé hmoty a dopadá na odrazovou vrstvu, která vypadá jako hliníková fólie na spodní straně disku. Povrch odrazové vrstvy je zbrázděn vyvýšeninami a prohlubněmi. Prohlubně jsou rovinné, ploché oblasti; vyvýšeniny jsou tenké hrbolky na odrazové vrstvě. Tyto dva povrchy jsou záznamem jedniček a nul používaných pro uložení dat. Světlo, které dopadne na vyvýšeninu je rozptýleno, světlo, které dopadne do ploché prohlubně odrazí přímo zpět do detektoru, kde prochází hranolem odklánějícím vstupující světlo na světlocitlivou diodu. Každý záblesk světla, které dopadne na citlivou diodu, vybudí malé elektrické napětí. Toto napětí je synchronizováno s hodinovými obvody a vytváří se tak proud nul a jedniček, kterým může počítač porozumět. Poznámka: Magnetické disky, které jsou používány v mechanikách pevných disků, mají data uspořádána v soustředných kruzích zvaných stopy, jež jsou ve směru poloměru rozděleny na sektory. Při použití schématu známého jako konstantní úhlová rychlost, se magnetický disk otáčí vždy stejnou rychlostí; tj. stopy, které jsou na okraji disku se pohybují rychleji než stopy blíže středu. Protože se vnější sektory pohybují pod čtecími/zápisovými hlavami rychleji, musí být tyto sektory fyzicky delší, aby se do nich vešlo stejné množství dat jako do vnitřních sektorů. Tento formát promrhá velkou část paměťového prostoru, ale maximalizuje rychlost se kterou lze data získat. Disky CD ROM používají typově jiné schéma než magnetické disky na dohled nad oblastmi na disku, kam se zapisují data. Namísto několika stop uspořádaných do 12-35
13 Jak pracují magneticko optické mechaniky
soustředných kruhů, jsou data na disku CD ROM zapsána na nové stopě, která má tvar spirály začínající ve středu a táhnoucí se až k obvodu. Stopa je také rozdělena na sektory, ale všechny sektory mají tutéž fyzickou délku. Použitá metoda, známá jako konstantní obvodová rychlost znamená, že se rychlost otáčení disku neustále mění tak, že při pohybu detektoru směrem ke středu disku se otáčky disku snižují. Důsledkem je to, že kompaktní disk může obsahovat, více sektorů než magnetický disk a tím pádem také více dat. Když se detektor pohybuje směrem ke středu disku, klesající otáčky prodlužují dobu nutnou pro získání dat z disku. Moderní jednotky CD disků se otáčejí vícenásobnou rychlostí než původní standard.
13 Jak pracují magneticko optické mechaniky Magnetické signály používané u konvenčních disketových mechanik a pevných disků ukládají data v mikroskopických proužcích. Ze širšího hlediska jsou však magnetické signály primitivním prostředkem. Jako kontrast si uveďme paprsek světla vytvářen laserem, který lze zaostřit do oblasti mnohem menší, než oblast ovlivňovaná i tou nejcitlivější magnetickou čtecí/zápisovou hlavou. Je zřejmé, že pokud pro zápis a čtení dat z disku použijeme laser, podaří se nám na stejné místo dostat daleko více dat. První pokus, zapřáhnout laserový paprsek do služeb zařízení pro čtení/zápis, vyústil v konstrukci disků WORM – což je zkratka z Write Once, Read Many (česky jednou zapsat, víckrát číst). Disk WORM skutečně mohl našlapat stovky megabyte dat na jediný vyměnitelný disk. Problém s diskem WORM spočívá v tom, že jakmile data na disk jednou zapíšete, nemůžete je změnit nebo vymazat. Promyšlené schéma rozmístění souboru na stopách umožní zapsat novou verzi souboru na disk s tím, že stará verze bude neviditelná. Toto schéma pracovalo celkem dobře, ale nebylo to řešení ideální. Teoreticky je možné zaplnit celý 500 MB disk WORM jediným 1k bytovým souborem. Dnes jsou mechaniky WORM užitečné pouze v situacích, kdy chcete mít nepřepsatelný protokol o provedených transakcích. Jedno z řešení potřeby výměnné velkokapacitní paměti, kterou lze vymazat a měnit, přichází ve formě magneticko-optických mechanik (MO), které kombinují technologii a výhody konvenčních magnetických mechanik a laserových mechanik CD 13-36
13.1 Zápis dat na magneticko optický disk
ROM a WORM. Laser použitý v MO mechanikách zapisuje data tak hustě, že na jednom disku je uloženo několik set megabyte informací. Disk lze přitom – podobně jako kompaktní disk – přenášet od jednoho stroje ke druhému. Podobně jako u magnetického disku můžete zapisovat, měnit a vymazávat vaše data, čímž je překonáno omezení disků CD ROM, které dovolovaly pouze číst a disků WORM, na které šlo zapsat pouze jednou. Díky tomu, že čtecí/zápisová hlava MO disků je od povrchu dál, jsou havárie méně pravděpodobné. Průlom této nové zdvojené technologie činí magneticko-optické disky ideálním médiem pro záložní a výměnnou velkokapacitní paměť.
13.1 Zápis dat na magneticko optický disk Intenzívní laserový paprsek se zaostří na povrch disku, který je složen z krystalické kovové slitiny, jejíž tloušťka činí jen několik atomů. slitina, která polarizuje světlo je nanesena na hliníkovém substrátu. Jak slitina tak hliníkový substrát jsou z obou stran pokryty plastickou hmotou. Laserový paprsek zahřeje tenký kroužek ve slitině nad kritickou teplotu zvanou Curieův bod. V Curieově bodě – který je pro různé materiály různý – jsou krystaly ve slitině dostatečně volné na to, aby s nimi pohnulo magnetické pole. Zápisová hlava, podobná té u konvenčních mechanik, vytvoří magnetické pole, které přeskupí krystaly slitiny pro reprezentaci 1 do jednoho směru a pro reprezentaci 0 do jiného směru. Oblast ovlivněná laserovým paprskem je tak malá, že na jednu stranu disku o průměru 5,25” lze uložit přes 500 MB dat.
13.2 Čtení dat z magneticko optického disku Slabší laserový paprsek se zaměří na stopu, která obsahuje data zapsaná silnějším laserovým paprskem. Laserový paprsek se odrazí od hliníkového povrchu pod vrstvou slitiny. Paprsek procházející přes slitinu je přitom polarizován seskupenými krystaly, které dovolí projít jen paprskům kmitajícím v určitém směru. Čidlo snímá odražené světlo a určuje směr jeho polarizace. Seskupení krystalů znamenající 1 polarizuje světlo v jednom směru, seskupení krystalů znamenající 0 je polarizuje v jiném směru. 13-37
14 Jak pracují Bernoulliho mechaniky
14 Jak pracují Bernoulliho mechaniky Švýcarský matematik 18. století, David Bernoulli, byl prvním člověkem, který popsal jev týkající se dynamiky kapalin, jenž je patrný v pohybující se vodě nebo vzduchu. Bernoulliho princip, umožňuje letadlu vzlétnout ze země. Bernoulli si všiml, že čím rychleji se vzduch pohybuje, tím menším tlakem působí na předměty, které obtéká. Křídlo letadla je v horní části zakřiveno, takže vzduch proudící nad křídlem musí urazit delší dráhu než vzduch pod křídlem. Ale protože vzduch nad a pod křídlem musí urazit svou dráhu za tutéž dobu, musí se vzduch nad křídlem pohybovat rychleji. Jelikož vzduch pod křídlem tlačí proti křídlu větší silou než vzduch nad křídlem, letadlo vzlétá. Princip si můžete sami demonstrovat tak, že budete foukat nad povrchem malého proužku papíru. Bernoulliho princip inspiroval firmu Iomega Corporation (začátkem roku 1980) k vytvoření neobvyklého paměťového zařízení. Bylo neobvyklé, protože mělo stejnou kapacitu jako pevné disky tehdejší doby, disk však bylo možné vyjmout jako disketu. Bernoulliho disky, jak se jim říká, poskytují neomezenou paměťovou kapacitu ve formě, která je mnohem výhodnější než diskety. Konkurující si firmy vyrobily různé typy výměnných pevných disků. Ale jen málo zařízení kromě Bernoulliho disků nabízí tutéž vylepšenou ochranu proti havárii diskových hlav.
14.1 Bernoulliho mechanika Pokud je měkký materiál, ze kterého je vyroben disk uvnitř Bernoulliho kazety v klidu, disk se pochopitelně prohne dolů, dál od čtecí/zápisové hlavy mechaniky. Jakmile se hřídel mechaniky začne otáčet, pohyb vytlačuje vzduch skrz otvory v talíři a přes povrch disku. Vzduch pod diskem je relativně stabilní a tlačí proti dolní části disku silněji, než vzduch pohybující se nad diskem tlačí shora dolů. Rozdíl v tlacích způsobí, že se disk zvedne směrem k talíři. Tentýž Bernoulliho jev je vyvolán, když se čtecí/zápisová hlava vynoří nad talíř a disk je k ní silněji zdvihán. Disk se hlavy nedotkne, protože nepohyblivý talíř vytváří vzduchovou překážku mezi hlavou a diskem. Opačné síly vztlaku a vzduchová překážka vyústí v 14-38
14.1 Bernoulliho mechanika
ustálení disku ve vzdálenosti 0,25 mikrometru od čtecí/zápisové hlavy, což je méně než vzdálenost mezi pevným diskem a jeho čtecí/zápisovou hlavou. V případě vzniku situace, která by běžně mohla způsobit havárii pevného disku – jako je ztráta napětí nebo otřes disku – dojde u Bernoulliho mechanik jen ke ztrátě vztlaku a disk padá od čtecí/zápisové hlavy, čímž je omezena pravděpodobnost, že se disk setká s hlavou, která zničí tenkou magnetickou vrstvu s uloženými daty.
15 Jak pracují mechaniky zálohovacích magnetických pásek Zálohování pevných disků na páskovou mechaniku je jako jedno z varování vaší matky když jste byli dětmi: V oblačný den si s sebou vezmi deštník a vždycky nos plášť do deště. Jistě, maminka měla jednou za čas pravdu – mohlo by se dát do deště a zmokli bychom, ale to by nebylo to nejhorší. Takže co s tím, když se porušila vaše tabulka FAT a ztratili jste polovinu souborů? Před několika lety nebyla obnova těch pár megabyte na disku zase takovým problémem, protože jste několik základních datových souborů mohli překopírovat na diskety. Dnes se ovšem důsledky havárie "malého" disku značně zhoršily. Dnes o disku jako malém nemluvíte tehdy, když je na něm pár megabyte, ale když má jen několik set megabyte. Jediný program pro Windows může mít až 20 megabyte souborů. A u takových složitých prostředí jako jsou Windows nestačí nikdy mít jenom samotný program. Každý program pod Windows, který instalujete, změní alespoň jeden z .INI souborů ve Windows. Navíc kolik zásahů jste ve svém systému nadělali – od tajuplných parametrů na řádce v souboru CONFIG.SYS pro ovladač manažeru paměti až po barevné ladění Windows, se kterým jste si hráli hodiny – zásahů, na které byste si nikdy netroufali vzpomenout? A ve stejné době, která začíná být pro zálohování disků kritičtější než jindy, se stále více hroutí představy zálohování disků o velikosti nad 200 megabyte na diskety. Podívejme se na nové pokolení nepříliš drahých, zato však velkou kapacitou oplývajících, páskových záložních mechanik. A na možnost snadno kopírovat gigabyte nebo víc na jedinou pásku, i v případě těch největších disků. 15-39
15 Jak pracují mechaniky zálohovacích magnetických pásek
Uvedeme dva nejpopulárnější typy zálohovacích pásek, kterými jsou: čtvrtpalcová kazeta (QIC, quarter inch cartridge) a digitální audio páska (DAT, digital audio tape).
15.1 Záložní mechanika s čtvrtpalcovou kazetou (QIC) Pokud použijete příslušný software a čtvrtpalcové mechanice vydáte povel pro zálohování, tak program přečte tabulku FAT vašeho disku a najde soubory, jejichž zálohování požadujete. Software zapíše do 32k oblasti v paměti RAM vašeho stroje adresářovou informaci. Soubory pak zkopíruje do téže oblasti. Před každým souborem je úvodní informace, která identifikuje soubor a jeho umístění uvnitř adresářového stromu na pevném disku. Je-li řadič páskové mechaniky osazen čipem, který provádí ošetření chyb, software přenese celou oblast RAM do vlastní paměti řadiče, kde čip přidá kód pro opravu chyby (EC, error correction). Pokud řadič tento čip nemá, vypočte kód pro opravu chyby sám software. Kód je vypočten z posloupnosti 0 a 1 v souboru a připojí se na konec dat zapsaných v oblasti paměti RAM. Software pak veškerý obsah oblasti kopíruje do paměti řadiče. Když jsou data přenesena do řadiče, je oblast v paměti RAM volná pro zápis dalšího bloku dat z disku. Řadič páskové mechaniky vyšle signály do páskové mechaniky, aby se rozběhlo médium. Mechaniky QIC se starají o to, aby páska byla stále napnutá. Jakmile pohon mechaniky otočí kazetovou cívkou – elastický pásek ovinutý okolo cívek s páskou se jemně napne až pásku uchopí, takže je zajištěno, že tažná síla navíjecí cívky je shodná s odporem odvíjecí cívky. To nutí pásku k tlaku proti hlavě mechaniky s konstantní silou, čímž se minimalizují chyby při zápisu a čtení. Řadič odešle proud dat do zápisové hlavy mechaniky. Mnoho páskových mechanik má trojdílnou hlavu, umožňující čtení během zápisu. Dvě čtecí hlavy rámují střední zápisovou hlavu, která přenáší data do magnetického povrchu pásky. V závislosti na směru pohybu pásky čte jedna z čtecích hlav data, která byla právě zapsána zápisovou hlavou, aby se tak zkontrolovalo, zda se data na pásce opravdu shodují s tím, co tam zápisová hlava zapsala. Když je kontrola skončena, je paměť v řadiči vyprázdněna a 15-40
15.2 Záložní mechanika s digitální audio páskou (DAT)
mechanika se dá do dalšího kusu dat přečtených z disku. Objeví-li kontrola chybu, jsou data znovu zapsána na další část pásky. Formát pásky QIC v typickém případě obsahuje až 32 rovnoběžných stop. Když se cívka přetočí na konec, pohyb se obrátí a tok dat jde zpět spirálovým způsobem směrem k vnějšku pásky. Každá stopa je rozdělena na bloky po 512 nebo 1024 byte a segment v typickém případě obsahuje 32 bloků. Mimo bloky v segmentu jich 8 obsahuje kód pro opravu chyby. Dále na konci každého bloku mechanika vypočítá kód cyklické kontroly (CRC, cyclic redundancy check) pro další opravy chyb a připojí ho za blok. Většina zálohovacích programů rezervuje místo pro adresář zálohovaných souborů na začátku stopy 0 nebo na zvláštní adresářové stopě. Jakmile se hlava mechaniky dostane na konec pásky, otvory vystřihnuté v pásce signalizují mechanice, že je potřeba otočit směr pohybu pásky, posunout aktivní oblast zápisové hlavy nahoru nebo dolů na další stopu a pokračovat v zápisu. Když jsou na pásku zapsána všechna data, zálohovací program zapíše umístění stopy a segmentu zálohovaného souboru do adresáře na pásce. 5
15.2 Záložní mechanika s digitální audio páskou (DAT) Pokud použijete příslušný software a vydáte povel pro zálohování, program přečte tabulku FAT vašeho disku a najde soubory, jejichž zálohování požadujete. Nato kopíruje data, soubor po souboru, do pracovní paměti v mechanice digitální audio pásky, která má obvykle místo na 512 kilobyte až 1 megabyte dat. Stejně jako pásková mechanika QIC i mechanika DAT provádí výpočet kódu pro opravu chyb, který přidá na konec dat v pracovní paměti. Rozdílná koncepce čtecí/zápisové hlavy u mechanik DAT je to, co umožňuje zapsat obrovská množství dat na malou páskovou kazetu velikosti krabičky od zápalek. Mechanismem je tady rotující válec se čtyřmi hlavami posunutými o 90 stupňů. Dvě z
5
Obnovení souboru z pásky se děje tak, že mechanika použije adresář na pásce, aby zjistila, kde soubor je a pak data souboru přečte do paměti. Řadič vypočítává kód CRC pro každý čtený blok a srovnává jej s kódem CRC zapsaným na konci bloku. Jakmile mechanika naplní vyhrazenou pracovní paměť, data se zapíší na pevný disk do příslušného adresáře.
15-41
16 Jak pracuje diskové pole
těchto hlav, zápisová hlava A a B, zapisují zálohovaná data a dvě odpovídající čtecí hlavy data přezkušují. Válec je lehce nakloněn, takže vzhledem pásce se otáčí pod určitým úhlem. Válec se za minutu otočí 2000 krát, zatímco páska před válcem běží ve směru proti otáčení válce rychlostí 8,5 mm za sekundu. Během doby, po kterou je zápisová hlava A ve styku s páskou, zapíše hlava okolo 128 kilobytů dat a opravných kódů z pracovní paměti mechaniky na stopu na pásce. Jelikož je válec nakloněn, setká se páska při zahájení zápisu s jedním krajem pásky a pak se pohybuje diagonálně přes pásku, až se dostane na druhou stranu. Výsledkem je úzká úhlopříčná stopa, asi osmkrát delší než je šířka pásky. Čtecí hlava A znovu čte data zapsaná na stopu a srovnává je bit po bitu s původním obsahem pracovní paměti. Jsou-li kontrolovaná data na pásce v pořádku, jsou odstraněna z pracovní paměti a z pevného disku se přečtou data další. Jestliže data na stopě A obsahují nějakou chybu, budou při dalším průchodu přepsána Zápisová hlava B při přechodu pásky zapisuje data na stopu pod 40 stupňovým sklonem vůči straně A, čímž vytváří stromečkový vzor, který překrývá stopu A. Překrývání dat směstná na palec pásky více informací; později při čtení nedochází k chybě, protože magnetické bity zapsané dvěma zápisovými hlavami mají rozdílnou polaritu a různé čtecí hlavy čtou data pouze z vhodně umístěných stop. Čtecí hlava B a zápisová hlava B provádějí tytéž kroky, střídajíc se s hlavami A, dokud nejsou všechna zálohovaná data zapsána. Pak mechanika pásku přetočí a zapíše adresář uložených souborů buď do zvláštního oddílu na začátku pásky nebo do souboru na pevném disku. Poznámka. Při obnově souboru z mechaniky DAT, přečte software adresář, přetočí pásku do místa kde požadovaný soubor začíná a soubor zkopíruje na pevný disk.
16 Jak pracuje diskové pole Disková pole pracují podle teorie, která říká, že jeden pevný disk je dobrý, dva pevné disky dvakrát tak dobré a pět pevných disků pětkrát tak dobrých. Při použití více mechanik pevných disků konfigurovaných tak, že si operační systém myslí, že jde o 16-42
16.1 Pole zrcadlových disků
disk jediný, může osobní počítač dosáhnout vyšší rychlosti při čtení dat z mechanik nebo lepší ochranu před ztrátou dat. V ideálním případě můžete ekonomicky dosáhnout obojího. Nejobvyklejším typem diskového pole je RAID, což je zkratka od "Redundant Array of Inexpensive Drives" (česky pole nepříliš drahých mechanik s možností redundance). Cena pevných disků s rostoucí kapacitou a rychlostí vzrůstá. Ale s pomocí RAID můžete použít několik levnějších mechanik, jejichž celková cena je menší než cena vysoce výkonné mechaniky, a získat tak podobný výkon s větší bezpečností dat. Pole RAID používají určitou kombinaci zrcadlení a proužkování; obě metody nabízejí větší ochranu před ztrátou dat. Zrcadlení, u kterého je jeden disk přímou kopií jiného disku, nabízí největší zvýšení výkonu, ovšem za nejvyšší cenu. Proužkování, u kterého jsou soubory rozloženy na několika mechanikách a chráněny daty na další mechanice, se používá, když se vyžaduje ochrana dat a požadavek na výkonnost nemá vysokou prioritu. Disková pole se používají jen vzácně na samostatných osobních počítačích, protože nehledě na taktiku použití levnějších mechanik, jsou pole jako celek stále ještě drahá ve srovnání s cenou jednotlivých komponent osobních počítačů. Pole téměř vždy najdeme na osobních počítačích používaných jako síťové servery.
16.1 Pole zrcadlových disků Zapisuje-li se na zrcadlové disky nějaký soubor, řadič souběžně zapisuje identické kopie souboru na každou mechaniku v poli. Pole zrcadlových disků tedy musí mít alespoň dva disky. Pokud se soubor z diskového pole čte, řadič střídavě čte skupiny sektorů z každé mechaniky a z kousků souboru sestavuje celky dodávané do počítače. Tento proces čtení zrychluje. Rychlost závisí na počtu mechanik v poli. Když jsou zrcadleny dvě mechaniky, zkracuje se čas potřebný pro čtení přibližně na polovinu; tři zrcadlové disky zkracují čas čtení asi na třetinu vůči čtení z disku jediného. V případě chyby při čtení – způsobené buď defektem na povrchu jedné mechaniky nebo havárií celého jednoho disku řadič jednoduše přečte neporušenou část souboru z bezvadného disku. 16-43
17 Jak pracuje sběrnice
Jestliže je chyba čtení způsobena poškozením média, řadič automaticky přečte data z kopie souboru na druhé mechanice a zapíše je do nové nepoškozené oblasti na mechanice, kde chyba nastala.
16.2 Pole disků s rozloženým záznamem Zapisuje-li se soubor do pole disků s rozloženým záznamem, např. tří mechanik, rozdělí se do dvou částí a každá z nich se zapíše na jiný disk. Pole disků s rozloženým záznamem musí mít alespoň tři mechaniky. Normálně pole zapisuje data na všechny mechaniky s výjimkou jedné, kterou používá pro ochranu proti chybám. Řadič nebo software pole provádí s daty zapisovanými na mechaniky booleovskou operaci XOR a výsledek, zvaný též často paritní bit, zapíše na poslední mechaniku. Operace XOR má jako výsledek bit 0, když jsou porovnávány dva stejné bity a výsledek 1 pro různé bity. Například operace XOR se dvěma dvojkovými čísly 1100 a 1010 má za výsledek paritu 0110. Obsahuje-li pole více než tři mechaniky, potom je operace XOR provedena s daty na prvních dvou mechanikách, s výsledkem a daty na další mechanice je opět provedena operace XOR a tak dále, až je výsledek zapsán na poslední, paritní mechaniku. Tento proces snižuje výkonnost pole, dosaženou zápisem na více mechanik současně. Pokud se z pole disků s rozloženým záznamem čte soubor, řadič přečte části souboru z mechanik, na kterých jsou rozloženy. V případě, že je některá část zničena nebo jeden z disků havaruje, provádí řadič operaci opačnou k operaci XOR. Porovnáním nezničených bitů s paritními bity může řadič odvodit, zda chybějící bity jsou nuly nebo jedničky. Informaci lze použít také pro opravu dat zničených v důsledku chyby média.
17 Jak pracuje sběrnice Jednou z nejpozoruhodnějších myšlenek v osobním počítači je rozšiřující slot – konektory v zásuvce, jež dovolují vkládat přídavné desky s obvody, které se ke zbytku počítače připojují zvláštním obvodem, tzv. sběrnicí (angl. bus). Rozšiřující sloty dokáží přeměnit osobní počítače tak, že umí provádět úlohy, o kterých jejich tvůrci ani nesnili. 17-44
17.1 Přenos dat po sběrnicích
Vložením správné desky s obvody – obvykle se jí říká adaptér nebo rozšiřující karta – můžete zvýšit rozlišení a počet barev používaných na displeji nebo můžete svůj počítač přeměnit na stroj pro záznam a přehrávání hudby nebo jej můžete přimět, aby pracoval s disky, tiskárnami, zálohovacími páskami a hostil periferie, které neexistovaly v okamžiku, kdy jste si počítač kupovali. Obvody sběrnice se také používají pro komunikaci s některými perifériemi – jako je třeba klávesnice – které nejsou připojeny přes rozšiřující kartu. Výhody sběrnice jsou natolik zřejmé, až můžete nabýt dojmu, že je mají všechny počítače. Ale mnohé počítače před uvedením IBM PC měly svoje komponenty napevno zadrátované; tj. nebylo možné je měnit. Jejich návrháři se rozhodli, že vytvořili definitivní schéma a nedovedli si představit, že by k němu chtěl někdo něco přidávat. Když IBM uvedla svůj první osobní počítač, byla natolik důvtipná, že nejen učinila počítač rozšířitelným, ale uvedla ve všeobecnou známost většinu technických informací, které ostatní společnosti potřebovaly k výrobě rozšiřujících desek pro IBM PC. Výsledkem byl do dnešního dne bezprecedentní příval komponent, neustále posouvajících hranici využitelnosti počítače. Sběrnice se stala, společně s mikroprocesorem osobního počítače, nejkritičtějším místem z hlediska výkonu a klasifikátorem mezi třídami počítačů. Směr vývoje sběrnic bude určovat, jak dobře bude v budoucnu váš osobní počítač pracovat.
17.1 Přenos dat po sběrnicích Signály z procesoru nebo z jiných komponent cestují po několika souběžných obvodových vodičích. Počet vodičů závisí na typu architektury použité pro sběrnici. Nejjednodušší z nich – 8-mi bitová sběrnice použitá v původním IBM PC – používá pro spojení adaptérových karet 62 vodičů. Každý signál vyslaný do adaptérové karty je přijat všemi adaptérovými kartami. Osm vodičů přivádí do adaptérových karet elektrické napětí. Na různých vodičích jsou různá napětí. Osm až třicet dva vodičů se používá pro přenášení veškerých dat, bez ohledu na to, zda jsou data určena pro paměťové čipy, adaptér obrazovky nebo řadič disku. 17-45
17 Jak pracuje sběrnice
Dvacet vodičů přenáší informaci reprezentující adresu určení dat. Každá rozšiřující karta používá zvláštní, jednoznačnou adresu – z těch, které jsou volné v prvním megabyte paměti – kterou může použít operační systém. Zbývající vodiče se používají pro předávání řídicích signálů pro obecné povely, např. povely pro čtení a zápis do paměti a pro každé vstupní/výstupní zařízení. Každá adaptérová karta připojená na sběrnici hledá neustále na řídicích vodičích vhodné signály. Pokud se objeví signál např. na zápisovém řídicím vodiči, rozpoznají jej všechna vstupní/výstupní zařízení, nikoliv však paměťové obvody. Vstupní/výstupní adaptéry upozorněné povelem k zápisu obrátí svoji pozornost na adresové vodiče. Jestliže adresa uvedená na těchto vodičích není adresou používanou adaptérem, adaptér signály zasílané na datových vodičích ignoruje. Jestliže signály na adresových vodičích odpovídají adrese používané nějakým adaptérem, adaptér přijme data vysílaná na adresových vodičích a použije data na datových vodičích pro dokončení povelu zápisu.
17.2 Rozdíly ve sběrnicích 8 bitová sběrnice: Data se přenášejí do rozšiřujícího slotu a ostatních komponent na sběrnici pouze po 8 souběžných vodičích. 16 bitová neboli ISA sběrnice: Data se přenášejí buď po 8 nebo 16 datových vodičích v závislosti na druhu adaptérové karty použité v rozšiřujícím slotu. Sběrnice EISA nebo MCA: Data se přenášejí – po 32 datových vodičích do adaptérové karty navržené speciálně pro 32-ti bitové sběrnice. Do rozšiřujícího slotu MCA nelze vkládat 8-mi nebo 16-ti bitové karty. Přizpůsobivost EISA: Koncepce rozšiřujících slotů EISA dovoluje 8-mi nebo 16ti bitovým kartám proniknout jen tak hluboko, aby došlo ke kontaktu s řadou 16 konektorů, které provozují přenos dat založený na sběrnici ISA. Desky navržené speciálně pro EISA slot mohou být zasunuty dále, až se jejich konektory setkají se 32 speciálními slotovými konektory, které provozují přenos dat založený na specifikaci EISA. 17-46
17.2 Rozdíly ve sběrnicích
Poznámka: Nedávno získal na oblibě nový způsob komunikace s periferiemi – lokální sběrnice. Tato koncepce překonává rychlostní omezení známá ze věech ostatních koncepcí sběrnic. Původní sběrnice byla navržena pro práci na kmitočtu 8MHz, který byl zhruba dvakrát rychlejší než procesor původního IBM PC 8088. Se zvyšováním rychlosti procesoru na 10, 25, 33, 50MHz a výš, zůstávala sběrnice 8MHz. Lokální sběrnice je navržena na přenos 32 bitů dat lokální rychlostí procesoru osobního počítače. Osobní počítač s lokální sběrnicí obvykle omezuje danou architekturu na jeden nebo dva sloty použité pro adaptér obrazovky a pro řadič disků, kde jsou přenosové poměry nejkritičtější. Pomalejší rozšiřující sloty se používají pro komunikaci se sériovými a paralelními porty a s klávesnicí, kde rychlost není kritická.
18 Jak pracuje klávesnice S klávesnicí svého osobního počítače přijdete do styku víc než s kteroukoliv jinou komponentou. Možná celé roky pracujete bez toho, že byste se podívali (což je mnohem méně než dotkli) na procesor nebo pevný disk, ale většina lidí přikládá větší význam těm částem, které určují nikoliv jak dobře pracuje počítač, nýbrž jak dobře se pracuje jim samotným. Špatně navržená klávesnice funguje jako stabilní překážka produktivity a může dokonce způsobit zdravotní problémy. Dobře provedená klávesnice je ta, o které vlastně nevíte; vaše myšlenky mohou procházet přímo z hlavy na obrazovku počítače a nemusíte si dávat pozor na to, co dělají vaše prsty. Navzdory důležitosti klávesnice ji mnozí výrobci a také mnoho uživatelů věnuje málo pozornosti. Některé dnešní klávesnice jsou vybaveny vestavěnými otočnými koulemi nebo jinými druhy ukazovacích zařízení, jiné klávesnice nabízejí další lákadla, o nichž se návrháři domnívají, že pomohou vyhnout se syndromu neustále se opakujících pohybů. Několik málo radikálních změn, které se objevily – vyduté klávesnice s různou vzdáleností kláves od prstů nebo klávesnice, které lze ovládat jednou rukou – se neuchytily.
18-47
18 Jak pracuje klávesnice
Bez ohledu na to, zda výrobci jsou bez potřebné představivosti nebo zda uživatelé se o to prostě nestarají, se základní způsob práce klávesnic od uvedení prvního IBM PC v roce 1980 významně nezměnil. Třebaže rozložení všech kláves s výjimkou alfanumerických je snadno dostupné – zvláště u klávesnic přenosných počítačů – je jediným praktickým rozdílem v systému klávesnice mechanismus, který převádí pohyb stisknuté klávesy na signál zasílaný do počítače. Podíváme se na oba běžně používané mechanismy: kapacitní a galvanický. S výjimkou tohoto rozdílu je cesta signálu od klávesnice k počítači provedena technologií, kterou prověřil sám čas.
18.1 Klávesy s kapacitní vazbou U klávesnice s kapacitní vazbou stisknutí klávesy stlačí pružinu a způsobí, že se plunžrový píst z plastu a kovu přiblíží ke dvěma podložkám, které mají velkou plochu pokrytou směsí cínu, niklu a mědi. Podložky jsou spojeny tištěnými obvody elektronické desky klávesnice. Třebaže se tyto dvě kovové plochy nikdy nedotknou, vytvářejí kondenzátor, kde na jedné z podložek je kladné a na druhé záporné napětí téže velikosti. Stlačení pružinky je na některých klávesnicích doprovázeno mechanickým zvukem. Kovový plunžrový píst dosedající mezi obě podložky sníží velikost napětí mezi nimi. Rozdíl v napětí způsobí malý, ale zjistitelný proud v obvodu napojeném na kondenzátor. Po uvolnění klávesy se pružina roztáhne, vrátí klávesu do původní výšky a oddálí plunžrový píst od kovových podložek. Tím se proud procházející obvodem napojeným na kondenzátor vrátí na svoji původní úroveň.
18.2 Klávesy s galvanickou vazbou U klávesnice s galvanickou vazbou způsobí stisknutí klávesy stlačení sloupku pěnové gumy. Stlačená guma působí proti štítku z plastu na jehož spodní straně je kovová ploška spojená s deskou elektroniky. Kovový povrch se dotkne podobné plošky na druhém plastikovém štítku a vznikne tak galvanické spojení, které umožní průchod proudu přes tištěné spoje připojené ke každému z kontaktů. 18-48
18.3 Klávesnice a kódy kláves
Po uvolnění klávesy se sloupek pěnové gumy vymrští zpět do svého původního tvaru, čímž uvolní tlak na plastický štítek. Plastická hmota se také vrátí do svého původního tvaru, galvanické spojení se přeruší a proud přestane protékat.
18.3 Klávesnice a kódy kláves Bez ohledu na to, jakým nápisem je opatřena horní plocha klávesy, způsobí její stisknutí proudovou změnu v obvodech příslušejících této klávese. Mikroprocesor vestavěný do klávesnice, jako např. Intel 8048, neustále sleduje obvody vedoucí ke klávesám. Zajímá ho zvětšení nebo zmenšení proudu v obvodu stisknuté klávesy. Zjištěním změny proudu může procesor poznat jednak to, kdy byla klávesa stisknuta a pak, kdy byla opětovně uvolněna. Každá klávesa má jednoznačně stanovený kód, což platí i u kláves, které mohou uživatelům připadat identické. Procesor umí například rozlišit mezi levou a pravou klávesou přeřaďovače. Aby mohl být rozlišen skutečný signál od náhodného proudového kmitu, opakují se vyhledávací cykly mnohosetkrát za sekundu. Pouze signály zjištěné ve dvou nebo více cyklech po sobě jsou procesorem zpracovány. V závislosti na tom, ze kterého obvodu přijde do mikroprocesoru signál, vygeneruje mikroprocesor číslo, kterému říkáme kód klávesy. Pro každou klávesu existují dva kódy. Jeden pro okamžik, kdy je klávesa stisknuta a druhý, když je klávesa opět uvolněna. Procesor uloží číslo do vlastní paměti klávesnice a ta je zapíše do spojovacího portu, který může přečíst BIOS počítače. Procesor pak kabelem klávesnice vyšle signál přerušení, aby tak informoval počítač, že pro něj má kód klávesy. Přerušení sdělí počítači, aby nechal všeho co právě dělá a obrátil svoji pozornost na požadovanou službu. Systém BIOS přečte kód klávesy z portu klávesnice a do klávesnice odešle signál, který znamená, že může ze své paměti zpracovaný kód klávesy odstranit. Jestliže kód klávesy patří jedné z rozšiřujících kláves nebo některé z kláves, které jsou pokládány za zvláštní rozšiřující klávesy – Ctrl, Alt, Num Lock, Caps Lock, Scroll Lock nebo Insert – změní BIOS obsah dvou byte ve zvláštní oblasti paměti, ve které si uchovává informaci o stisku těchto kláves. 18-49
19 Jak pracuje displej počítače
Pro všechny ostatní klávesy BIOS tyto dva byte testuje, aby zjistil polohu rozšiřovacích a přepínacích kláves. V závislosti na jejich stavu BIOS přetransformuje kód klávesy do kódu ASCII, používaného na osobních počítačích, který představuje buď nějaký znak nebo zvláštní kód funkční klávesy nebo klávesu pro pohyb kurzoru. Velká a malá písmena mají různé kódy ASCII. Ve všech případech umístí BIOS ASCII nebo zvláštní kód do své vlastní pracovní paměti, kde si jej ihned po ukončení operace může přečíst operační systém nebo aplikační software.
19 Jak pracuje displej počítače Před několika lety
byly barevné monitory u počítačů pokládány za
neužitečnou hříčku – vhodné spíše pro hraní her, než pro vážnou práci. Většina software byla orientována textově a text zobrazený na barevném monitoru byl primitivní a těžko čitelný. Dokonce i pro grafické aplikace byly monitory CGA (Color Graphics Adapter), které byly prvními monitory pro počítače se systémem DOS, vážnou překážkou pro svoji neschopnost zobrazit více než čtyři barvy z 16 možných nabízených monitorem v jeho nejvyšší hustotě zobrazení – hustotě, kde místo hladkých křivek a přímých čar zbyly jen zubaté čáry. Dnes se ale všechno změnilo; nejen že je barva přijímána i pro vážně míněné projekty, ale dokonce je jí a počítačové scéně dávána přednost u takových graficky orientovaných prostředí jako jsou Windows a OS/2. Dnešní software používá barvu nejen proto, aby oku více lahodil, ale aby také barvou přinášel více informací. Moderní barevné displeje jsou na hony vzdáleny od omezených, primitivních barev a grafiky z doby před deseti lety. Místo 4 barev je obecně k mání paleta 256 barev, některé displeje nabízejí tisíce až miliony barevných odstínů. Místo kostrbaté hustoty monitoru CGA o 200 řádcích po 640 barevných bodech, nabízejí moderní monitory hustotu 768 řádků po 1024 barevných bodech. Barevný bod (angl. pixel) je nejmenší logickou jednotkou, kterou můžeme použít pro vytvoření obrazu na stínítku obrazovky. Jeden barevný bod je obvykle vytvářen několika spojujícími se světelnými body. Čím méně světelných teček se pro tento barevný bod použije, tím jemnější má monitor zobrazení. Tajemství dnešních lepších displejů spočívá v kombinaci adaptérů VGA (Variable Graphics Array) a přizpůsobivých monitorů, které umějí pracovat s různými typy signálů z adaptéru. Starší adaptéry displejů používaly výlučně digitální informaci, což znamenalo, 19-50
19.1 Stolní monitor VGA
že barevný bod byl buďto zapnut nebo vypnut a bylo tedy těžké dosáhnout jemnějších barevných odstínů. Princip VGA používá analogový signál, který digitální informaci převádí na různé úrovně napětí, jimiž se dá měnit jas barevného bodu. Celý proces vyžaduje méně paměti a je mnohem přizpůsobivější. Displeje SuperVGA používají zvláštní sady čipů a větší paměť pro další zvětšení počtu barev a jemnější zobrazení. Některé formáty VGA se stanou dlouholetým standardem. Zde se podíváme na dva typy barevných displejů VGA – stolní monitor a obrazovku s tekutými krystaly pro přenosné osobní počítače.
19.1 Stolní monitor VGA Digitální signály z operačního systému nebo aplikačního software jsou přijímány adaptérem VGA (někdy vestavěným do základní desky počítače). Adaptér prožene signál obvodem zvaným digitálně-analogový převodník (DAC, Digital to Analog Converter). Obvody DAC jsou většinou uloženy na jednom specializovaném čipu, který ve skutečnosti obsahuje převodníky tři – po jednom pro každou ze tří základních barev používaných na displeji: červenou, modrou a zelenou. Obvody DAC převádějí číselné hodnoty zasílané počítačem na analogové tabulky, které obsahují příhodné úrovně napětí pro tři základní barvy potřebné na namíchání barvy jednoho barevného bodu. Tabulka obsahuje hodnoty pro 262 144 možných barev. Z nichž 256 lze uložit do paměti adeptéru VGA. (Displeje SuperVGA, které mají více paměti, mohou pracovat s více barvami i pro vyšší rozlišení i s více barevnými body.) Adaptér zasílá signály do tří elektronových děl umístěných v zadní části obrazovky (CRT). Každé elektronové dělo vystřeluje proud elektronů, pro jednu ze tří základních barev. Intenzita proudů je řízena signály přicházejícími z adaptéru. Adaptér vysílá signály i do mechanismu v hrdle obrazovkové trubice, který elektronový paprsek zaostřuje a směruje. Část tohoto mechanismu, magnetické vychylovací cívky, používají elektromagnetické pole pro ohyb proudu elektronů. Signály zasílané do vychylovacího mechanismu určují rozlišení monitoru – počet barevných bodů
19-51
19 Jak pracuje displej počítače
svisle a vodorovně a také obnovovací kmitočet, který udává, jak často se obrázky na stínítku obnovují. Paprsek prochází otvory v kovové desce, tzv. stínící masce. Účelem masky je udržet přesnou cílovou polohu elektronového paprsku na vnitřní straně stínítka obrazovky. Rozteč bodů na obrazovce je mírou toho, jak těsně u sebe jsou otvory; čím blíž otvory jsou, tím menší je rozteč bodů, což na druhé straně vytvoří ostřejší obrázek. Otvory ve většině stínících mřížek jsou uspořádány do trojúhelníků s výjimkou obrazovky Sony Trinitron, která je používána mnoha dalšími výrobci. Otvory u Trinitronu jsou uspořádány jako rovnoběžná mřížka. Elektrony dopadnou na fosforový povlak vnitřní strany stínítka (fosfor je materiál, který po dopadu svazku elektronů září). Používají se tři rozdílné fosforové materiály – pro červenou, zelenou a modrou barvu. Čím silnější je svazek elektronů, který na fosfor dopadá, tím více světla fosfor vyzařuje. Když je zasažen červený, zelený i modrý bod v sestavě stejnou silou elektronových paprsků, má to za následek vytvoření bílého bodu. Pro umíchání různých barev se intenzita každého ze tří paprsků mění. Jakmile paprsek fosforový bod opustí, tento bod rychle dohasíná, což je jev zvaný setrvačnost. Aby bylo obrázek na stínítku vidět trvale, musí být fosforové body opakovaně zažíhány dopady svazků z elektronového děla. Když elektrony dokončí pouť přes stínítko ve vodorovném směru, paprsek elektronů se vypne na dobu, po kterou elektronové dělo mění zacílení elektronových paprsků zpět na levý okraj stínítka právě o bod níž než byl předchozí řádek. Tomuto procesu říkáme rastrování nebo řádkování. Magnetické vychylováni plynule mění úhel, pod kterým se elektronový paprsek ohýbá tak, že postupně putuje přes celé stínítko z levého horního do pravého dolního rohu. Celé cestě přes obrazovku říkáme pole. Po ukončení pole se paprsek vrátí do levého horního rohu, aby tam zahájil práci na novém poli. Obrazovka se normálně obnovuje (refresh) asi 60 krát za sekundu. Některé adaptéry displejů pracují v každém poli ob řádek. Tomuto procesu říkáme prokládané řádkování (interlacing). Prokládané řádkování umožňuje adaptéru 19-52
19.2 Displej s tekutými krystaly
dosáhnout větší hustotu – neboli více řádků – s nepříliš drahými součástkami. Ovšem pohasínání fosforu mezi každým průchodem může být více patrné, a může způsobit blikání obrazovky. Všechny moderní grafické adaptéry pracují i v nejvyšším rozlišení v neprokládaném režimu (non interlaced mode).
19.2 Displej s tekutými krystaly Světlo – vyzařované ze světélkujícího panelu zadní části displeje přenosného počítače – se šíří vlněním, které kmitá všemi směry. Polarizačním filtrem před světelným panelem procházejí jen ty světelné vlny, které kmitají přibližně vodorovně. Skutečnost, že polarizační filtr není zcela přesný, umožňuje vytvořit na displeji různé barvy. V některých buňkách vrstvy tekutých krystalů vytvoří grafický adaptér napětí a ostatní buňky zůstávají bez napětí. V buňkách s napětím se dlouhé tyčovité molekuly, tvořící materiál tekutého krystalu, nastaví tak, že vytvoří z molekul spirálu. Při silnějším napájení se molekuly na jednom konci zkroutí vůči orientaci molekul na druhém konci o úhel 90 stupňů. Polarizované světlo vstupující zvenčí do buňky se stočí podél spirálových molekul. Buňky s plným napětím otáčejí kmity procházejícího polarizovaného světla o 90 stupňů oproti původním. Světlo procházející buňkami, které nemají žádné napětí, se v tomto smyslu nemění. Buňky, které dostaly napětí jen částečně, otočí světlo v nějakém úhlu mezi 0 a 90 stupni, v závislostí na velikostí napětí. Světlo vycházející z každé buňky s tekutými krystaly prochází jedním ze tří blízko sebe umístěných barevných filtrů – červeným, zeleným nebo modrým. Obarvené paprsky světla prostupují druhým polarizačním filtrem nastaveným tak, že propustí jen ty světelné vlny, které kmitají přibližně svisle. Světlo, které prošlo tekutými krystaly s plným napětím je nyní orientováno tak, že druhým filtrem projde perfektně.
19-53
20 Jak pracuje paralelní port
Filtr není úplně přesný, proto některé vlny, které prošly buňkou s jen částečným napětím – a kde byly z toho důvodu jen částečně pootočeny – procházejí filtrem, zatímco ostatní jsou zadrženy. Světlo, které nebylo otočeno vůbec – po průchodu buňkou s tekutými krystaly bez napětí – je nyní zadrženo zcela. Příklad: Např. prochází 100 procent červeného světla, 50 procent zeleného světla a ani trochu modrého světla. Lidskému oku se takto vytvořený světelný bod jeví jako světle hnědá skvrnka. Poznámka: Model zde popsaný je jedním ze způsobů, jak tekuté krystaly a polarizace umí zacházet se světlem. Některé LCD panely používají dva polarizátory s týmž natočením tak, že napětí přivedené do buňky s tekutými krystaly má za následek, že světlo je zadržováno, protože je pootočeno. Pro napájení buněk s tekutými krystaly existují dva postupy. Displej, kde je pasivní matice, používá jen relativně málo elektrod seřazených do pásů podél vrstev tekutých krystalů a spoléhají se na časování, které zajišťuje napájení správných buněk. Napětí v pasivních maticích odeznívá rychle, barvy pak jsou bledší. Displeje, kde je aktivní matice, mají pro každou buňku samostatný tranzistor. Samostatné tranzistory poskytují přesnější a silnější napájení a vytvářejí živější barvy. Aktivní matice jsou však výrobně dražší a 80 procent displejů se v současné době musí při výrobě vyřadit, protože mají vadný tranzistor.
20 Jak pracuje paralelní port Od svého uvedení byl paralelní port – často také nazývaný port Centronics – synonymem pro port tiskárny. Třebaže pro zasílání dat z počítače do nějakého modelu tiskárny lze použít i sériový port, je paralelní port rychlejší. Sériový port posílá data bit po bitu přes jednosměrné vedení; paralelní port může poslat současně několik bitů přes osm souběžných vedení. Po dobu, kdy sériový port vysílá jediný bit, paralelní port vysílá celý byte. Podívejme se na celou věc ještě jinak: v okamžiku, kdy sériový port dokončil přenos písmene A, má paralelní port přeneseno celé slovo Aksnemak. Paralelní spojení má jeden neduh. Napětí ve všech vedeních vytváří takzvaný přeslech, což je situace, kdy se napětí přelévá z jednoho vedení do druhého, zrovna tak, jako když někdy v telefonu slyšíte cizí hovor, který se připletl do vašeho spojení. Přeslechy bývají horší na delších 20-54
20.1 Paralelní port
paralelních kabelech; hranice délky většiny paralelních spojení leží někde u 3 metrů. Některé starší tiskárny a souřadnicové zapisovače používaly sériový port pro komunikaci s počítačem. Dnes ale, kdy jsou v tištěných dokumentech obvyklé grafické a vektorové fonty, které vyžadují posílat do tiskárny ohromná množství dat, je paralelní port jediným rozumným řešením. Paralelní porty se kromě toho používají pro přenos dat mezi dvěma počítači a obliba přenosných počítačů, které často nemají rozšiřující sloty, dala vzniknout trhu s periferiemi jako jsou mechaniky a zvukové generátory které mohou pracovat na paralelním portu.
20.1 Paralelní port Signál přicházející do počítače z periferie, kterou je obvykle tiskáma, po vodiči 13 – zvaném též výběr – sděluje počítači, že tiskáma je zapnutá a připravená na příjem dat. Data se ukládají na vodiče 2 až 9 v podobě napětí – okolo 5V – znamenajícího 1 – a napětí nulového nebo blízkého nule znamenajícího 0. Jakmile je napětí přivedeno na všechny datové vodiče, pošle vodič 1 tiskárně signál trvající jednu mikrosekundu a tak jí dá vědět, že si může přečíst napětí na datových vodičích. Signál z tiskárny na vodiči 11 sděluje počítači, že tiskáma je v okamžiku zaslání byte příliš zaneprázdněna, a že by měl upustit od vysílání dalšího byte do doby než se tento signál ztratí. Signál o zaneprázdnění může být vyslán třeba proto, že tiskárna právě tiskne minulý znak, že ukládá byte do své pracovní paměti, že je její pracovní paměť zaplněna, že se zasekla barvicí páska nebo nastala jakákoliv jiná situace, která brání tiskárně přebírat další data. Signál z tiskárny na vodiči 10 potvrzuje příjem dat poslaných na vodičích 2 až 9 a sděluje počítači, že tiskárna je připravena přijmout další znak. Vodič 12 přenáší signál z tiskárny do počítače v případě, že v tiskárně není papír.
20-55
21 Jak pracuje myš
Vodič 15 používá tiskárna na sdělení chybového stavu počítači v případě, jako je například poškozená tisková hlava nebo otevřený kryt tiskárny, ale nesděluje, o jakou chybu se přesně jedná. Signál z počítače po vodiči 16 způsobí, že se tiskárna vynuluje, nastaví do počátečního stavu. Totéž se stane, když tiskárnu vypneme a zapneme. Nízké nebo nulové napětí z počítače na vodiči 14 sděluje tiskárně, aby posunula papír o jeden řádek v případě, když dostane znak "návrat vozíku". Nenulové napětí sděluje tiskárně, že papír se má o jeden řádek posunout jen v případě, když z počítače přijde znak "nový řádek". Signál z počítače jdoucí po vodiči 17 sděluje tiskárně, aby nepřijímala data. Vodič se používá jen u některých tiskáren, u kterých se počítá s možností, že je bude vypínat nebo zapínat počítač. Poznámka: vodiče 18 až 25 jsou zemnicí.
21 Jak pracuje myš Klávesnice není nic přirozeného nebo intuitivního. Žádné dítě se nenarodí se znalostí psaní na klávesnici a dokonce když se to učí, má pro věc malé pochopení – nikdo mu neumí dobře vysvětlit, proč jsou alfanumerické klávesy rozloženy tak, jak jsou. Pro mnohé představuje klávesnice překážku při snaze naučit se používat počítač. I pro toho nejzkušenějšího písaře na stroji není v zápisu /FS pro uložení souboru v Lotus 1-2-3 nic intuitivního. Inženýři – vsaďme se, že žádný z nich se nechtěl písařů dotknout – z výzkumného střediska Palo Alto Research Center (PARC) firmy Xerox Corporation vyvinuli koncepci poprvé objevenou Douglasem C. Engelbertem ze Stanford Research Center. Tato koncepce navrhuje ukazovací zařízení, něco co by uživatel počítače mohl použít jako svou ruku, která by způsobila odpovídající pohyb na obrazovce. Jelikož zařízení mělo odpovídající velikost a kabel připomínající ocásek, dostalo jméno myš. Firma Apple Computer udělala z myši standardní výbavu počítačů Macintosh a s narůstající oblibou Windows se stává myš standardním zařízením všech osobních počítačů. Myš není jen ukazovací zařízení, jak bylo původním záměrem. Pákový ovladač 21-56
21.1 Mechanická myš
používaný pro hry splňuje v podstatě tutéž roli, ale není pociťován jako to pravé. Digitalizační tablety jsou populární u architektů a inženýrů, kteří musejí přenášet přesné pohyby pera na obrazovku. Dotykové obrazovky, kterých se dotýkáte vlastními prsty nebo speciálními světelnými pery, jsou příliš unavující, máte-li je používat delší dobu. Myš a její sestřenice otočná koule (trackball) přežily všechny ostatní více či méně neobratné metody navigace pomocí klávesnice. Myš nikdy klávesnici nahradit nemůže, ale může jí pomoci v takových situacích, kdy se přesouvají nebo ukazují objekty na obrazovce, situacích, kdy se klávesy pro pohyb kurzoru dobře nehodí. Dokud se nedostaneme do bodu, kdy budeme s našimi počítači jednoduše mluvit, bude myš nedílnou součástí našich systémů. Mechanická myš se stala nejpopuIámějším ukazovacím zařízením pro novou generaci operačních prostředí – grafických rozhraní – jejichž představiteli jsou Windows, Macintosh a OS/2. S myší počítač neřídíte zadáváním povelů z klávesnice, nýbrž ukazováním na obrázky nebo symboly na obrazovce. To je cesta, jakou myš převádí pohyby vaší ruky na akce na obrazovce.
21.1 Mechanická myš Jakmile pohnete mechanickou myší – tahem po rovné ploše – tak se ve směru pohybu pootočí kulička vyrobená z gumy nebo z kovu potaženého gumou, která vyčnívá ze spodní strany myši Při otáčení se kulička dotýká dvou válečků vzájemně postavených v úhlu 90 stupňů a uvede je také do pohybu. Jeden váleček sleduje pohyb myši dopředu a dozadu, což odpovídá pohybu ve svislé ose na obrazovce. Druhý váleček sleduje pohyb myši do stran, což odpovídá stranovému pohybu na obrazovce. Oba válečky jsou spojeny s kolečkem zvaným dekódovač – obdobně jako je pohon automobilu napojen svými osami na kola. Jak se válečky otáčejí, otáčejí se i dekódovače. Na okraji každého kola jsou umístěny tenké kovové kontakty. Dva páry kontaktních plíšků vystupujících z pláště myši se při každém otočení dekódovače setkají s jeho kontakty. Pokaždé. když se plíšek setká s vodivým bodem, proběhne spojením elektrický signál. Počet signálů udává, kolika bodů se plíšky dotkly – čím více signálů, tím 21-57
22 Jak pracuje modem
více jste myší pohnuli. Směr, ve kterém se válečky otáčejí, kombinovaný s poměrem mezi signály ze svislého a vodorovného válečku určuje, po jaké dráze se myš pohybuje. Signály jsou přes myší ocásek zasílány programům do počítače, které počet, kombinaci a frekvenci signálů ze dvou dekódovačů převádějí na vzdálenost, směr a rychlost nutnou pro přesun kurzoru na obrazovce. Stisknutí tlačítka na vrchní části myši rovněž zašle do počítače signál, který se dostane do programu. V závislosti na tom, kolikrát tlačítko stisknete a na pozici kurzoru v okamžiku stisku, provede program úlohu kterou si přejete vykonat. Poznámka: Track ball pracuje obdobně. Je to vlastně myš otočená vzhůru nohama. Kuličkou oáčíte svými prsty a nikoli povrchem vašeho stolu.
22 Jak pracuje modem Osobní počítač je digitální zařízení. Data jsou reprezentována posloupností 0 a 1. Telefonní systém je analogové zařízení. Vznikl v době, kdy digitální elektronika nebyla známá. Je určen pro přenos různých zvuků a tónů lidského hlasu. Hlas je transportován elektronicky pomocí analogového signálu jako spojitý elektrický proud, jehož frekvence mírně kolísá. Modem je můstkem mezi digitálními a analogovými signály. Převádí digitální data na analogové signály změnou (modulací) kmitočtu. Na přijímacím konci telefonického spojení dělá pravý opak: demoduluje analogové signály zpět do digitálního kódu. Výrazy MOdulace a DEModulace dávají modemu jeho jméno. Modemová komunikace pracuje se třemi nejméně standardizovanými prvky osobního počítače, kterými jsou sériový port, příkazy pro modem a komunikační software. Neslučitelnosti znemožňují popsat nějaký univerzální způsob, jak všechny modemy pracují, nicméně operace zde uvedené přesně popisují většinu programů, které používají sadu příkazů pro modem Hayes s 25 ti kolíkovým sériovým portem.
22.1 Modem Váš komunikační software přivádí napětí na kolík 20 sériového portu, ke kterému je připojen modem. Napětí představuje signál jménem Data Terminal Ready 22-58
22.1 Modem
nebo krátce signál DTR. Sděluje modemu, že počítač je zapnut a přípraven přenášet data. Ve stejnou dobu počítač zkoumá napětí z modemu na kolíku 6 – signál Data Set Ready, krátce signál DSR – který zase počítači oznamuje, že modem je připraven přenášet data nebo povely. U normálního modemového spojení musí být oba dva signály přítomny předtím, než se může stát cokoliv jiného. Používáme-li standardní komunikační jazyk, vyšle komunikační software po vodiči 2 (vodič Transmit Data DT), povel do modemu. Povel nařizuje modemu, aby zvedl sluchátko a zahájil komunikaci na telefonní lince. Software pokračuje dalším povelem Hayes, který nařizuje modemu, aby vydal tónové nebo pulsní signály potřebné pro volbu daného telefonního čísla. Modem povel potvrdí tím, že ho počítači zopakuje na vodiči 3, vodič Receive Data (RD). Pokud modem na druhém konci telefonního spojení – vzdálený modem – na volání odpoví, vyšle místní modem pozdravný tón, aby vzdálený modem věděl, že ho volá jiný modem. Vzdálený modem odpoví o něco výše posazeným tónem. (Pokud je váš modem vybaven reproduktorem, opravdu uslyšíte dva tóny). Po navázání spojeni vyšle místní modem do počítače po vodiči 8 signál Carrier Detect (CD). Signál sděluje komunikačnímu software, že modem přijímá nosný signál, což je stabilní tón o určitém kmitočtu, který bude později modulován přenášenými daty. Oba modemy si vzájemně vymění informace o tom, jak si hodlají posílat data. Tomuto procesu se říká anglickým slovem handshake. Oba dva modemy se musí shodnout na přenosové rychlosti, počtu bitů, které tvoří datový paket – např. jeden byte – kolik bitů bude označovat začátek a konec paketu, zda modemy budou používat paritní bity pro kontrolu chyb a zda budou pracovat v poloduplexu nebo plném duplexu. Pokud místní a vzdálený modem nepoužijí tatáž nastavení, budou buď rozmotávat vysílané znaky, které nedávají smysl nebo budou komunikaci vůbec odmítat. Chce-li komunikační software vyslat data, nejprve po vodiči 4 pošle do sériového portu napětí. Tento signál Request to Send (RTS) ve skutečnosti zjišťuje, zda je modem volný pro příjem dat z počítače. Jestliže modem přijímá vzdálená data, která 22-59
22 Jak pracuje modem
chce předat do počítače v okamžiku, kdy počítač dělá něco jiného (jako třeba ukládání dřívějších dat na disk), počítač v tom případě signál RTS přeruší, a sdělí tak modemu, aby přestal se zasíláním dat, dokud si počítač neukončí svoji práci a znovu nevydá signál RTS. Není-li modem příliš zaneprázdněn zpracováváním jiných dat a může tedy přijmout z vašeho systému nová data, vrátí na sériovém vodiči 5 signál Clear to Send (CTS), načež počítač zašle přenášená data po vodiči 2. Modem zasílá data, která obdržel od vzdáleného systému do počítače po vodiči 3. Když modem nemůže přenášet data tak rychle, jak mu je posílá počítač, modem přeruší signál CTS a sdělí tím počítači, aby na chvíli přestal s dalšími daty, dokud se modem nevzpamatuje a signál neobnoví. Na druhém konci telefonního vedení slyší vzdálený modem přicházející data jako řadu tónů s různými kmitočty. Demoduluje tóny zpět na digitální signály a ty odešle přijímacímu počítači. Ve skutečnosti mohou oba počítače posílat signály sem a tam současně, protože používaný standardní systém tónů umožňuje modemům na obou koncích rozlišit přijímané vysílané signály. Požádáte-li komunikační software o ukončení komunikační relace, zašle do modemu jiný povel Hayes, který způsobí přerušení telefonního spojení. Pokud je spojení přerušeno vzdáleným systémem, váš modem přeruší signál Carrier Detect do počítače, aby informoval software, že komunikace je přerušena. Přenosová rychlost. Třebaže se přenosová rychlost často vyjadřuje v jednotkách jménem baud – což je počet kmitočtových změn za sekundu – jde o jednotku zastaralou. Dnes se používá přesnější jednotka – bit za sekundu. Přenosová rychlost činila u raných modemů 300 bitů za sekundu a dosahovala se zasíláním jednoho kmitočtu, který znamenal 0 a jiného kmitočtu znamenajícího 1. Analogový signál na telefonní lince je omezen tím, jak rychle se mohou přepínat kmitočty, které jsou součástí vynuceného rozdílového schématu pro zvýšení rychlosti přenosu dat. Skupinové kódování umožňuje, aby různé kmitočty znamenaly více než jeden bit. Pro přenosy rychlostí např. 1200 bitů za sekundu jsou signály ve skutečnosti přenášeny modulační rychlostí 600 baudů, ale pro reprezentaci tří různých možných párů bitů – 0/0, 0/1 a 1/1 – jsou použity tři různé kmitočty. Podobné schéma používá 22-60
22.2 Světelné signály na panelu modemu
více frekvencí s větším množstvím informace pro dosažení rychlosti 2400 bitů za sekundu. Pro ještě větší přenosové rychlosti musejí oba dva modemy používat tutéž metodu komprimace dat, spočívající v rozpoznání často se opakujících posloupností nul a jedniček a použití zkratek místo těchto posloupností. Datové bity. Komunikační systémy mohou pro zobrazení datových paketů používat buď sedm nebo osm bitů. Start/stop bity. Každý datový paket používá jeden bit pro označení začátku znaku a jeden nebo dva bity pro ukončení znaku. Zde uvedený příklad používá jeden stop bit. Paritní bit. Jako používanou formu opravy chyb si oba systémy mohou dohodnout sudou paritu, lichou paritu nebo vůbec žádnou paritu. Jestliže se domluví na sudé nebo liché paritě, oba systémy předávají bity obsažené ve znaku a za ně přidají jiný bit, kterému se říká paritní. Může být buď 0 nebo 1, podle toho co se hodí, aby počet všech jedničkových bitů v celé posloupnosti byl buď sudý nebo lichý v závislosti na dohodnutém typu parity. Poloviční/plný duplex. Oba dva systémy se musí dohodnout na tom, kdo je zodpovědný za výpis textu na místním počítači. Jeden systém musí být nastaven pro plný duplex a druhý na poloviční duplex. Systém, používající plný duplex je zodpovědný za výpis textu na obou systémech a echuje jakýkoliv text, který je mu zaslán pomocí poloduplexního systému. Pokud tyto dva systémy nepoužívají komplementárně nastavený duplex, na místním systému se buď neobjeví žádný text nebo se každý znak objeví dvakrát.
22.2 Světelné signály na panelu modemu Světelné indikátory na předním panelu externího modemu ukazují, co se děje během komunikační relace. Umístění světýlek a jejich pořadí se může modem od modemu lišit. Obvykle jsou však označeny dvoupísmennou zkratkou. Uvedeme si jejich význam.
22-61
23 Jak pracuje skener a optické rozpoznávání znaků
HS Indikátor High Speed (vysoká rychlost) oznamuje, že váš modem právě pracuje nejvyšší dostupnou přenosovou rychlostí. AA Indikátor Auto Answer (automatická odpověď) oznamuje, že modem bude automaticky odpovídat na přicházející hovory. Tato volba umožňuje přístup k vašemu systému po dobu, kdy je bez obsluhy. CD Indikátor Carrier Detect (zjištěn nosný signál) se rozsvítí pokaždé, když modem zjistí nosný signál. To znamená, že je navázáno spojení se vzdáleným počítačem. Světlo by mělo zhasnout pouze tehdy, když jeden z počítačů zavěsí a nosný signál se ztratí. OH Indikátor Off-Hook (sluchátko zvednuto) se rozsvítí pokaždé, když modem získá vládu nad telefonní linkou. Je to totéž, jako když sami zvednete telefonní sluchátko. RD Indikátor Receive Data (příjem dat) bliká pokaždé, když modem přenáší do vašeho počítače data. To nastane tehdy, když přijímáte data ze vzdáleného počítače. SD Indikátor Send Data (vysílání dat) svítí v okamžicích kdy váš počítač přenáší data do modemu. To nastane tehdy, když vysíláte data do vzdáleného počítače. TR Indikátor Terminal Ready (terminál připraven) se rozsvítí, když modem zjistí, že komunikační software vysílá signál DTR (Data Terminal Ready). Tento signál informuje modem, že komunikační program je uložen v paměti a spuštěn. MR Indikátor Modem Ready (modem připraven) vám dává na srozuměnou, že modem je zapnut a připraven k provozu.
23 Jak pracuje skener a optické rozpoznávání znaků Skenery jsou očima vašeho osobního počítače. Umožňují mu převést kresbu nebo fotografii do kódu, který mohou použít grafické, ediční programy a ukázat ji na obrazovce, vytisknout na grafické tiskárně nebo stránku s textem převést do editovatelného textu. Tři základní typy skenerů se v zásadě liší způsobem, jakým se stránka s předlohou a snímací hlava, která předlohu čte, vzájemně pohybují. Ve skeneru 23-62
23.1 Plochý skener
s posuvem papíru je papír pod snímací hlavou posouván mechanickými válečky. U plochých skenerů se stránka za skleněným oknem nepohybuje a pohybuje se snímací hlava, podobně jako pracují kopírky. Ruční skener držíme v ruce a snímací hlavou pohybujeme sami. Každá z uvedených metod má svoje výhody a nevýhody. Plochý skener vyžaduje řadu zrcadel pro zachycení obsahu předlohy, která se při pohybu snímací hlavy neustále snímá a zaměřuje do čoček přivádějících na řadu senzorů. Žádné zrcadlo není dokonalé, proto při každém odrazu dojde k určitému zkreslení. Výhodou plochých skenerů je, že mohou snímat rozměrné nebo tlusté dokumenty, jako třeba knihu. Ve skeneru s posuvem papíru je předloha sejmuta přesněji, snímání je však omezeno na jednotlivé listy předepsaného formátu. Ruční skener je kompromisem. Může snímat stránku v knize, ale snímací hlava často není tak široká jako hlava v plochém skeneru nebo ve skeneru s posuvem papíru. Ruční skener, který je při snímání závislý na pevném a přesném vedení vaší rukou, je obecně levnější, protože nevyžaduje mechanismus pro pohyb snímací hlavy nebo papíru. Důvtip skeneru spočívá v jeho schopnosti převést neomezený rozsah analogových napěťových úrovní do číselných hodnot. Některé skenery rozlišují pouze černou a bílou a jsou užitečné pouze pro snímání textu. Přesnější modely dokáží rozlišovat stupně šedi. Barevné skenery používají pro zjištění barev v odraženém světle červené, modré a zelené filtry. Bez ohledu na citlivost skeneru na stupně šedi nebo na to, zda posouvají papír nebo snímací hlavy, je princip činnosti všech skenerů v podstatě jednoduchý a podobný. Podíváme se na dva představitele technologií, o kterých jsem se zmínil – plochý skener a ruční skener pro odstíny šedi. Rovněž se budeme věnovat jednomu z nedůležitějších důvodů pro snímání dokumentů, kterým je převod jejich obsahu do editovatelného textu pomoci software pro rozpoznávání znaků.
23.1 Plochý skener Zdroj světla osvětluje list papíru umístěný lícem dolů na skleněné okno nad snímacím mechanismem. Prázdná místa na papíře odrážejí více světla než černá nebo barevná písmena a obrázky.
23-63
23 Jak pracuje skener a optické rozpoznávání znaků
Motor pohybuje snímací hlavou podél stránky. Snímací hlava při svém pohybu zachycuje světlo odražené z jednotlivých oblastí stránky. Z každého čtverečního palce sejme odraz 90 000 krát. Světlo přicházející ze stránky je odráženo systémem zrcadel, která se musí neustále natáčet tak, aby se světlo z nich dostávalo do čoček. Čočky soustředí paprsek na světlocitlivé diody, které převádějí intenzitu dopadajícího světla na elektrický proud. Čím více světla se odráží, tím větší je proud. Aalogově-čislicový převodník (ADC) ukládá každý přečtený napěťový impuls jako digitální bod, představující černou nebo bílou oblast na řádku, který obsahuje 300 bodů na palci. Dokonalejší skenery umí napěťové impulsy převádět do stupňů šedi. Pokud je ve skeneru založen barevný obrázek, snímací hlava projíždí pod předlohou třikrát a při každém průchodu je předloha postupně ozářena světlem přes červený, zelený a modrý filtr. Číselná informace se odesílá programu v počítači, jenž data ukládá ve formátu, se kterým umějí pracovat grafické programy nebo programy pro optické rozpoznávání znaků.
23.2 Ruční skener Stisknete-li snímací tlačítko na typickém ručním skeneru, rozsvítí se světelná dioda (LED) a osvětlí předlohu pod skenerem. Obrácené, pod úhlem skloněné zrcadlo, přímo ve výřezu skeneru odráží obraz do čoček v zadní části tělesa skeneru. Čočky zaostří jediný řádek předlohy do tzv. charge coupled device (CCD, česky – nábojově vázaný prvek), který je částí určenou pro zjišťování jemných světelných rozdílů. CCD obsahuje řadu světelných čidel. Jak se světlo dotkne těchto čidel, každé z nich zaregistruje množství světla jako úroveň napětí, které odpovídá bílé, černé, šedé nebo odstínu barvy. Napětí generované CCD jsou odesílána do specializovaného analogového čipu na provedení gama korekce. To je proces, který zdůrazní černé tóny v předloze,
23-64
23.3 Optické rozpoznávání znaků
takže lidské oko, které je citlivější na tmavé tóny než na světlé, to bude mít při prohlížení obrázku jednodušší. U některých skenerů je gama korekce prováděna softwarově. Jeden řádek předlohy prochází analogově-číslicovým převodníkem (ADC). U skenerů rozlišujících odstíny šedi převodník zapíše každý bod do 8 bitů, čímž dochází k převodu na 256 úrovní šedi v cílovém digitalizovaném obraze. A/D převodník u skenerů, které snímají jen černou nebo bílou, a zaznamenává barvu každého bodu pomocí jediného bitu. Jednička je černá barva, nula je bílá barva. Pohnete-li rukou se skenerem, pohne se rovněž váleček z tvrdé gumy (jehož hlavním úkolem je udržet pohybující se skener v rovině), který dále uvede do pohybu řadu soukolí otáčejících kotoučem s průzory. Kotouč se točí, světlo prochází jeho průzory a na druhé straně kotouče je detekováno miniaturním světelným čidlem. Světlo dopadající na čidlo sepne spínač, který do A/D převodníku odešle signál. Signál informuje převodník, aby odeslal řádek bitů, vytvořených převodníkem do počítače. Převodník pak odeslaná dat vymaže a je připraven přijmout novou posloupnost napěťových pulsů z dalšího řádku předlohy.
23.3 Optické rozpoznávání znaků Po přečtení obrazu nějakého dokumentu, skener převede tmavé části předlohy (text a kresbu) do tvaru, kterému říkáme bitová mapa, což je matice černých (1) nebo bílých (0) bodů. Body jsou větší než detaily většiny textu, proto tento proces degeneruje ostré okraje znaků, asi tak jako fax rozmaže ostré znaky. Tato degradace vytváří většinu problémů vznikajících při optickém rozpoznáváni znaků (OCR, optical character recognition). Software OCR načte bitové mapy vytvořené skenerem a provede průměrování zón nul a jedniček na stránce, čímž ve skutečnosti mapuje bílá místa na stránce. To umožní softwaru zjistit bloky odstavců, sloupce, řádky s nadpisy a obrázky. Bílá místa mezi řádky textu uvnitř bloků definují základnu každého řádku, což je důležitý detail pro rozpoznávání znaků v textu.
23-65
23 Jak pracuje skener a optické rozpoznávání znaků
Při svém prvním průchodu při převodu obrazu na text se software pokouší o srovnání každého znaku bod po bodu se vzory znaků, které má uloženy v paměti. Vzory obsahují kompletní typy písma – číslice, interpunkci a další znaky – od takových obvyklých typů písma jako jsou 12 bodový Courier a sada znaků IBM Selectric. Tato použitá technika vyžaduje velmi těsnou shodu, a proto musí být přesně definovány takové atributy písma, jako je kurzíva nebo tučné písmo. Skenery s nízkou kvalitou mohou způsobit zadrhování při srovnávání matic. Znaky, které zůstanou nerozpoznány jsou podrobeny intenzívnějšímu a časově náročnějšímu procesu, kterému říkáme extrakce rysů. Software vypočítává x výšku textu – výšku malého písmene x – a analyzuje každou kombinaci přímých čar, křivek a uzavřených ploch (jako jsou třeba v o nebo v b) znaku. Program OCR ví, že například znak s ohnutým tahem pod základní čarou a uzavřenou plochou nad je nejvíce podobný znaku g. Jelikož si software z každého nového znaku, na který narazí, vytváří pracovní abecedu, rychlost rozpoznávání se zvyšuje. Pokud tyto dva procesy nedešifrují všechny znaky, přistupuje software OCR ke zbývajícím „hieroglyfům“ dvěma způsoby. Některé programy OCR nahradí nepoznaný znak nějakým nápadným znakem jako je ~, # nebo @ a ukončí činnost. Vy potom musíte tyto znaky v textu vyhledat a ručně opravit. Některé programy OCR mohou také na obrazovce ukázat zvětšeninu bitové mapy a požádat vás o stisknutí klávesy příslušející zobrazenému znaku. Některé jiné programy OCR ještě vyvolávají zvláštní tester pravopisu, který se snaží nalézt obvyklé chyby a možné varianty slov, která obsahují nepoznané znaky. Například pro OCR programy vypadá číslice 1 a písmeno l velmi podobně, zrovna tak 5 a S nebo cl a d. Takové slovo jako je downturn může být chápáno jako clownturn. Tester gramatiky je schopen rozpoznat některé typické chyby OCR a opravit je. Většina programů OCR vám dá na vybranou, zda chcete dokument uložit jako ASCII soubor nebo jako soubor používaný nejpopulárnějšími textovými editory nebo tabulkovými kalkulátory.
23-66
24.1 Počítače s perem
24 Jak pracují počítače s perem Myš urazila jen část cesty při nahrazování klávesnice, která je pro mnoho lidí v mnoha situacích prvotní překážkou při používání počítače. Překážku se nyní pokusí překonat osobní počítače pracující s perem, které držíte v ruce. Aby se dosáhlo jednoduchosti, musí počítače s perem splňovat dvě funkce: musí rozpoznávat pohyby pera a tyto pohyby převádět na znaky nebo smysluplné funkce. Operační systémy pro počítače s perem rozpoznávají určité tahy pera, které znamenají určité akce, jako je nakreslení kružnice nebo zrušení slova. Umí také rozpoznávat zapsané znaky a mohou si nacvičit rozpoznávání znaků, které jsou zapisovány vaším vlastním typickým rukopisem. Počítače s perem jsou v dnešní době ještě v plenkách a procesory, které se ve většině z nich používají, nejsou dostatečně silné na to, aby rychle a jednoduše chápaly psané písmo a převáděly ho do textové podoby. Z toho důvodu se první aplikace, objevující se na počítačích s perem, propůjčují čistě jen k vyplňování formulářů, které lze vyplnit zatrháváním a výběry z menu; například jízdenky a objednávkové formuláře. I když se výkonnost procesoru a software zlepší na takovou úroveň, kdy skutečnost nabízená počítači s perem bude tak dobrá, jak slibují, bude technologie z velké části stejná, jak si ji popíšeme. Podíváme se na dvě metody zjišťování pohybu pera a obecný způsob, kterým počítače s perem tyto pohyby převádějí na text nebo akce.
24.1 Počítače s perem Obrazovky s drátěnou mřížkou. Jeden typ počítače s perem používá obrazovku s tekutými krystaly, ve které je vložena drátěná mřížka. Velikost proudu protékajícího drátky se změní, když nad nimi prochází elektromagnetické pole vytvářené perem. Obrazovky s kovovým povlakem. Jiný typ počítačů s perem používá obrazovku s tekutými krystaly potaženou tenkou průhlednou kovovou vrstvičkou. Elektrický proud protéká kovovou vrstvičkou směrem z horní části obrazovky do jedné z jejích stran. Když se pero dotkne obrazovky, způsobí elektromagnetické pole poruchu toku elektrického proudu. Oba typy obrazovek. Pokud se pero dotkne jednoho nebo druhého typu obrazovky, elektrický proud v peru generuje svoje vlastní elektromagnetické pole, které 24-67
25 Jak pracuje topologie sítě
změní velikost proudu procházejícího drátky nebo kovovým povlakem. Čím dál je pero od stran obrazovky generujících proud, tím větší změna nastane. Z velikosti změny počítač odvodí vodorovnou a svislou souřadnici pera na obrazovce a směr jeho pohybu.
24.2 Rozpoznávání znaků a pohybu pera. Po přečtení polohy pera vyšle počítač signál na obrazovku, aby zapnula (nebo vypnula, podle barvy pozadí) bod, který se nachází v pozici pera. Tomuto procesu se říká pouštění inkoustu. Při pohybu pera počítač neustále vypočítává jeho polohu a barví body, kterými pero prochází. Počítač rozlišuje mezi body nakreslenými perem (vstupní plocha) a body
nakreslenými programem (výstupní plocha). Poznamenejme, že
obrazovka neobsahuje dvě fyzicky oddělené úrovně bodů na displeji; rozdíl mezi vstupní a výstupní plochou je logický. Pro vstupní a výstupní plochu se používají tytéž body; operační systém však sleduje, pro kterou ze dvou logických ploch byl ten který bod použit. Na konci tahu pera předá operační systém popis celé dráhy aplikaci, která srovnává vzor nakreslený perem s ostatními známými vzory, Software počítá s nepřesnou kresbou, takže vzor nakreslený perem může být v určitých mezích odlišný od originálu, se kterým je srovnáván. Zjistí-li aplikace, že kresba vytvořená perem se shoduje s jedním z uložených vzorů, zkoumá dále kontext, ve kterém se kresba objevila, Například znak X nakreslený do volného prostoru v kontextu vstupujícího slova je pokládán za písmeno. Když se však X objeví umístěné přes existující slovo, aplikace chápe tuto kresbu jako pokyn ke zrušení daného slova. V kontextu check-boxu aplikace převede X na význam "check-box je vyplněn". Aplikace vymaže provedenou kresbu ve vstupní ploše a do výstupní plochy zapíše ty znaky, které odpovídají její softwarové interpretaci.
25 Jak pracuje topologie sítě Základním úkolem sítě LAN (local area network, místní, lokální síť) je fyzicky vzájemně propojit několik osobních počítačů a často je spojit i se sálovým počítačem 25-68
25.1 Sběrnicová síť
nebo minipočítačem. Spojení se provádí pomocí řady prostředků – kroucené vodiče, vláknová optika, telefonní linky a dokonce infračervené světlo a radiové signály. Pro logické spojení počítačů existuje téměř tolik způsobů jako pro spojení fyzické. Každá konfigurace sítě – neboli topologie – musí provádět jedny a tytéž úkoly. Nejobvyklejší situace, se kterou se síť setkává, je přenášení zprávy z jednoho počítače na druhý. Touto zprávou může být dotaz na data, odpověď na datový požadavek jiného počítače nebo povel pro spuštění programu uloženého v síti. Data nebo program, které zpráva
požaduje,
mohou
být
uložena
na
osobním
počítači
používaném
spolupracovníkem v síti nebo na datovém serveru. Datový server je obvykle vysoce výkonný osobní počítač s velkým pevným diskem, který není výlučně využíván žádným účastníkem sítě. Existuje pouze proto, aby sloužil všem ostatním počítačům napojeným do sítě jako společné místo pro ukládání dat, ke kterým je přístup tak rychlý, jak je to jen možné. Síť může podobně obsahovat tiskové servery, který každý z uživatelů LAN může použít pro tisk. Síť musí od jednotlivých počítačů připojených do sítě, neboli uzlů, přijímat požadavky na přístup k ní a síť musí umět zpracovat současně vznikající požadavky na její služby. Když počítač jednou služby sítě má, potřebuje síť metodu, jak zaslat zprávu z jednoho uzlu do druhého tak, že půjde jenom do uvažovaného cílového uzlu a nebude vyrušovat uzly, které se tohoto přenosu neúčastní. A to všechno síť musí udělat tak rychle, jak je to možné a tak rovnoměrně, jak je to možné nabízet svoje služby všemu uzlům LAN. Tři síťové topologie – sběrnice, kruh s rámcem a hvězda – platí za nejpoužívanější konfigurace LAN. Ukážeme si, jak tyto tři topologie řeší požadavky na služby a konflikty.
25.1 Sběrnicová síť Všechny uzly na sběrnicové síti jsou k LAN připojeny jako větve na společném vedení. Každý uzel má jednoznačnou adresu. Síťová karta instalovaná v uzlu, kterým může být buď další osobní počítač, datový server nebo tiskový server naslouchá, zda se po síti neposílají nějaké signály. Pokud ne, pošle pomocí vysílače zprávu do jiného zařízení. Každý uzel má svůj vlastní vysílač.
25-69
25 Jak pracuje topologie sítě
Vysílač vysílá zprávu oběma směry, takže se dostane do všech ostatních uzlů v síti. Zpráva obsahuje adresu určení a odesílatele, pakety pro kontrolu chyb a samotná data. Každý uzel na sběrnici zkoumá adresovou informaci obsaženou ve zprávě. Uzly, pro které zpráva není určena, ji ignorují. Pokud uzel objeví ve zprávě svou vlastní adresu, přečte data, ověří, zda v nich nejsou chyby a zašle potvrzení odesílateli na adresu, která byla součástí zprávy. Vyšlou-li dva uzly zprávu současně, dojde ke kolizi těchto dvou zpráv, při které vznikne typická elektrická interference, jež se šíří po celé síti a je odhalena oběma vysílači. První z vysílačů, který kolizi objeví, vyšle zvláštní signál, jenž celou síť zahluší – ostatní uzly tak ví, že je síť blokována. Přenosy ze všech uzlů jsou zastaveny a každý z uzlů čeká náhodně dlouhý časový interval, než se pokusí svou zprávu znovu vyslat.
25.2 Kruhová síť s rámcem (Token Ring) Všechny uzly v síti s kruhovým rámcem jsou spojeny do jednoho obvodu, který má podobu uzavřené smyčky. Rámec, který se skládá ze zprávy pro všeobecné nulování, pravidelně obíhá smyčkou adaptérové karty sítě ho čtou pokaždé, když míjí jejich uzel. Uzel, který chce vyslat zprávu, se chopí kolemjdoucího rámce, změní jeho binární kód tak, že je nyní označen jako používaný a vloží do něj zprávu současně s adresou příjemce, kterému je určena a kontrolním kódem. V síti může v jednom okamžiku obíhat nejvýš jedna zpráva. Elektrický odpor, který je přítomen v každém obvodu, by mohl rámec postupně zeslabovat až zničit, proto je v každém uzlu zabudován opakovač, který celou zprávu obnoví a uchová tak původní sílu a celistvost dat. Každý uzel prohledává kolemjdoucí rámec, aby se podíval, zda v něm není jeho adresa. Uzel, pro nějž je zpráva určena si vytvoří její kopii a pak pokračuje v jejím odesílání po kruhu. 25-70
25.3 Hvězdicová síť
Zpráva se nakonec vrátí do původního uzlu, který zprávu vyjme a rámec vrátí do původního stavu se signálem pro všeobecné nulování.
25.3 Hvězdicová síť Uzly v síti s hvězdicovou konfigurací jsou připojeny na oddělená vedení, z nichž všechna vedou do téže ústřední stanice. Ústřední stanice je vybavena přepínači, které spojují každý uzel s každým. Uzel odešle do ústřední stanice zprávu, která obsahuje adresu přijímacího uzlu, vlastní data a kontrolní kódy. V jeden okamžik může zprávu odesílat více než jeden uzel. Přepínací stanicei pravidelně vyvolává každý připojený uzel. Při otevírání a zavírání přepínačů stanice zajišťuje, aby nedošlo ke kolizi zpráv. Aby si žádný z uzlů nemohl síť monopolizovat, dovoluje přepínací stanice průchod vždy jen malé části jedné zprávy. Další zprávy zatím čekají až se k nim stanice opět vrátí.
26 Jak pracuje komunikace v síti Posílání zpráv v síti není jednoduchým procesem přenášení bitů reprezentujících alfanumerické znaky. Komunikace v síti zahrnuje osobní počítače pod systémem DOS, počítače Macintosh, sálové počítače a minipočítače, z nichž všechny mají své vlastní standardy pro kódování dat a komunikací. Přidejme si k tomu skutečnost, že aplikace na každé platformě mají svoje vlastní standardy pro komunikaci a hned je vidět, že vyslání a přijetí i těch nejjednodušších dat se stává složitým problémem. Aby se zajistilo, že data se z jednoho uzlu dostanou do dalšího uzlu nebo serveru, kam jsou adresována – a že se tam dostanou neporušena, nezkomolena – je potřeba systém, který je dobře chápán všemi prvky sítě. Jedním takovým systémem je model Open System Interconnection (OSI), na kterém je založeno mnoho sítí osobních počítačů. Sedmivrstvý model OSI není nějaká zvláštní sestava hardware a software, je to spíše schéma, které lze implementovat různými způsoby. Model je založen na vrstvách: každá součást sítě je určena pro existenci v určité vrstvě systému a přímo může 26-71
26 Jak pracuje komunikace v síti
komunikovat pouze s vrstvou bezprostředně nad ní nebo pod ní. Každá vrstva poskytuje služby vrstvě nad sebou a používá služby vrstvy pod sebou.
26.1 Komunikace v síti Aplikační vrstva je jedinou částí komunikačního procesu, kterou vidí uživatel: a nejen to, uživatel nevidí většinu práce, kterou aplikační program dělá pro přípravu zprávy k jejímu odeslání přes síť. Vrstva převádí data zprávy z formy čitelné člověkem do bitů a připojuje k ní záhlaví. kde je identifikován vysílací a přijímací počítač. Presentační vrstva zajišťuje, že zpráva bude přenesena v jazyku, který může cílový počítač interpretovat (často je to ASCII). Je-li to zapotřebí, tato vrstva změní jazyk a provede případnou kompresi a zašifrování dat. Přidá další záhlaví, kde je uveden jazyk a schémata pro kompresi a šifrováni. Relační vrstva zahajuje komunikaci a má za úkol udržovat disciplínu při komunikaci mezi všemi uzly v síti. Na začátek a konec zprávy dosadí závorky, které určují, zda se pro odeslání zprávy použije poloviční duplex, kdy každý počítač přepíná vysílání a příjem, nebo plný duplex, kdy oba počítače vysílají a přijímají současně. Detaily tohoto rozhodování jsou umístěny do záhlaví relace. Transportní vrstva chrání odeslaná data. Dělí je do segmentů, vytváří kontrolní součty – matematické součty pořízené z obsahu dat – které mohou být později použity pro určení toho, zda nedošlo ke zkomolení dat. Může také vytvořit záložní kopii dat. Transportní záhlaví identifikuje kontrolní součet každého segmentu a jeho polohu ve zprávě. Síťová vrstva vybírá pro zprávu trasu. Přetváří data do paketů, počítá je a přidává záhlaví obsahující posloupnost paketů a adresu přijímacího počítače. Datová vrstva dohlíží na přenos. Potvrzuje kontrolní součty a pak adresuje a duplikuje pakety. Tato vrstva udržuje kopii každého paketu dokud nedostane potvrzení z vedlejšího uzlu na cestě, že paket v pořádku došel.
26-72
26.1 Komunikace v síti
Fyzická vrstva kóduje pakety na médium, které je bude přenášet – jako je třeba analogový signál, když zpráva prochází telefonním vedením – a pakety po tomto médiu odešle. Vložený uzel pro každý paket vypočítává a ověřuje kontrolní součet. Může také změnit trasu zprávy, aby se vyhnula vzniklé zácpě v síti. V přijímacím uzlu se zpracování vrstev, které vedlo k vyslání zprávy na cestu provádí opačně. Fyzická vrstva konvertuje zprávu zpět do bitů. Datová vrstva znovu vypočítá kontrolní součet, potvrdí příjem a nabere pakety. Síťová vrstva přepočítá vstupující pakety z důvodů bezpečnosti a fakturace. Transportní vrstva přepočítá kontrolní součty a sestaví segmenty zprávy. Relační vrstva podrží jednotlivé části zprávy tak dlouho, až je zpráva kompletní a odešle ji další vrstvě. Presentační vrstva dekomprimuje a dešifruje zprávu. Aplikační vrstva převede bity do čitelných znaků a data předá do příslušné aplikace.
27 Jak pracují bitové a vektorové fonty Všechny tiskárny – ať bodové, inkoustové, laserové nebo tepelné – provádějí v zásadě tutéž činnost: na listu papíru vytvářejí vzor z teček. Tečky mohou mít různou velikost nebo mohou být složeny z různých inkoustů nanesených na papír různými způsoby, ale všechny texty i grafika jsou vytvořeny z teček. Čím menší tyto tečky jsou, tím přitažlivější může být konečný výsledek. Bez ohledu na to, jak jsou tečky na papíře vytvářeny, musí existovat obecné schéma pro určení jejich umístění; nejobecnějším schématem jsou bitové a vektorové fonty. Bitové fonty mají předem definovanou velikost a tloušťku. U vektorových fontů lze za pochodu měnit jejich velikost a dávat jim zvláštní atributy. Každý typ má svoje výhody a nevýhody v závislosti na typu požadovaného výstupu. Bitové obrázky jsou v podstatě omezeny na text a jsou rychlým způsobem, jak vytvořit tiskovou stránku, která používá jen několik typů písma. Když se na stránce má kromě textu objevit i grafický obrázek, musí váš software zaslat do tiskárny povely, kterým bude tiskárna rozumět. Vektorové fonty pracují jazykem pro popis stránky, který chápe všechno na stránce – i text – jako grafiku. Text a grafika použitá softwarem jsou převáděny na řadu povelů, které jazyk tiskárny pro popis stránky 27-73
27 Jak pracují bitové a vektorové fonty
používá určení polohy tištěného bodu. Jazyky pro popis stránky jsou při vytváření tiskové stránky obecně pomalejší, ale jsou mnohem přizpůsobivější při vytváření různých velikostí písmen s nejrůznějšími atributy nebo zvláštními efekty a jejich výsledky jsou mnohem atraktivnější.
27.1 Bitové fonty Bitové fonty jsou tvary písmen určité velikosti s určitými atributy nebo charakteristikami, jako je třeba tučné písmo nebo kurzíva. Bitová mapa je záznam soustavy bodů potřebných pro vytištění daného znaku v určité velikosti s určitými atributy. Bitové mapy pro velké písmeno A o velikosti 36 bodů písma Times Roman medium, pro tučné velké písmeno A o velikosti 36 bodů Times Roman bold a velké písmeno A o velikosti 30 bodů Times Roman medium jsou všechny různé. Většina tiskáren je z výroby vybavena jen několika málo bitovými fonty – obvykle Courier Line printer – ve variantě normální a tučné, které jsou uloženy v její permanentní pamětí. Většina tiskáren má kromě toho paměť RAM, do které může počítač zaslat bitové mapy pro další fonty. Další bitové fonty lze rovněž přidat ve formě vkládaných kazet, používaných mnoha laserovými tiskárnami. Vydáte-li povel k tisku na tiskárně pracující s bitovými fonty – buď z operačního systému nebo z vaší aplikace – nejdřív sdělí počítač tiskárně, kterou z tabulek bitových map uložených v paměti má použít. Pak pro každé písmeno, interpunkční znak nebo pohyb papíru – jako třeba tabulátor nebo návrat vozíku – který chce program vytvořit na tiskárně, zašle počítač do tiskárny jeden kód ASCII. Kódy ASCII sestávají z šestnáctkových čísel, které se porovnávají s čísly v tabulce bitových map. Šestnáctková čísla mají za základ číslo 16 a jako číslice se používají 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E a F. Když do počítače odešleme např. šestnáctkové číslo 41 (desítkově je to 65), procesor tiskárny najde 41H ve své tabulce a zjistí, že toto číslo odpovídá vzoru z teček, který po vytisknutí vytvoří velké písmeno A, ať už jde o tabulku s jakoukoliv velikostí nebo tvarem a atributy písma.
27-74
27.2 Vektorové fonty
Tiskárna používá tuto bitovou mapu pro určení povelu pro své ostatní části, aby se vzor uložený v paměti reprodukoval na papíře. Všechny znaky jsou postupně jeden po druhém odeslány do tiskárny.
27.2 Vektorové fonty Vektorové fonty nejsou na rozdíl od bitových fontů omezeny nějakou konkrétní velikostí nebo atributem písma. Místo toho obsahují matematický popis každého znaku dané sady písma. Vektorové se jim říká proto, že matematická definice obsahuje hlavně údaje o vektorech čar vytvářejících obrys písma, takže velké písmeno A o velikosti 36 bodů typu Times Roman vypadá tvarově úplně stejně jako velké písmeno A o velikosti 24 bodů téhož typu. Některé tiskárny jsou vybaveny jazykem pro popis stránky, kterému se běžně říká PostScript nebo Hewlet-Packard Printer Command Language. Tento jazyk je součástí firmware tiskárna je uložen na mikročipu. Jazyk umí překládat povely pro vektorové fonty, přicházející z programu ve vašem počítači, do instrukcí pro tiskárnu, potřebných pro řízení procesu umísťování teček na papír. Pro tiskárny, které nemají tento popisný jazyk zabudován, musí překlad tohoto jazyka do instrukcí potřebných pro tiskárnu provádět počítač. Vydáte-li z aplikačního programu tiskárně povel k tisku při použití vektorových fontů, vaše aplikace vydá řadu příkazů, které jazyk pro popis stránky interpretuje pomocí sady algoritmů nebo matematických vzorců. Algoritmy popisují čáry a oblouky, které vytvářejí tvar znaku. Algoritmy pro určité typy písma obsahují pokyny, jak změnit obrys písma, když je jeho velikost buď extrémně velká nebo extrémně malá. Příkazy vkládají do vzorců hodnoty proměnných pro změnu velikosti nebo atributu obrysu písma. Výsledkem jsou povely pro tiskárnu, které nakonec říkají něco ve smyslu: "Nakresli vodorovnou čáru 3 body tlustou, která začíná 60 bodů odspodu a 20 bodů zprava." Jazyk pro popis stránky nastaví všechny bity, které patří kresbě obrysu písmene na hodnotu 1 – pokud font ve svém obrysu neobsahuje nějaké zvláštní stínovací efekty.
27-75
28 Jak pracuje bodová tiskárna
Místo odesílání jednotlivých povelů pro tisk každého znaku v dokumentu, odešle jazyk pro popis stránky do tiskového mechanismu jeden povel, který vytiskne stránku jako celek. Podle tohoto schématu je stránka jedním velkým grafickým obrazem, který rovněž může obsahovat text; text a grafika jsou zde zpracovávány týmž způsobem. Chápání stránky jako grafiky, než jako řady znaků způsobuje, že tisk pomocí jazyku pro popis stránky je pomalejší, než tisk pomocí bitových fontů.
28 Jak pracuje bodová tiskárna Třebaže laserové tiskárny jsou rychlejší a vytvářejí mnohem atraktivnější dokumenty, zůstává mechanická bodová tiskárna trvalou součástí mnoha počítačových systémů. Laserové tiskámy stojí často více než 1000 dolarů; spolehlivá bodová tiskárna stojí jen několik set. Laserové tiskámy vyžadují výměnu kazety s tonerem, která stojí skoro tolik, jako levná bodová tiskáma; vše, co bodové tiskárny z hlediska spotřebního materiálu vyžadují, je nová barvicí páska, kterou můžete pořídit za pár drobných. Bodové tiskárny jsou nezbytností pro úlohy, které vyžadují tisk s kopií, čehož laserová tiskáma není schopna. A dnešní 24 jehlové bodové tiskámy zvyšují jak rychlost, tak kvalitu tisku. V nabídce mnoha výrobců jsou uživatelům nabízeny nové, rychlejší, inteligentnější – a i méně hlučné – bodové tiskárny. Existují dobré vyhlídky na to, že s bodovými tiskárnami se budeme ještě roky shledávat. Třebaže některé bodové tiskárny umějí interpretovat příkazy pro PostScript nebo jiný jazyk pro popis stránky, je většina jehličkových tiskáren navržena pro práci s bitovými typy písma, ovládanými kódy ASCII, zasílanými do tiskámy z počítače.
28.1 Bodová tiskárna Váš osobní počítač vysílá řadu kódů ASCIl, představující znaky, interpunkci, posuvy tiskámy jako jsou tabulátory, návraty vozu a posuvy na novou stránku, které řídí polohu tiskové hlavy vzhledem k papíru. Kódy ASCII se ukládají do vyrovnávací paměti, která je zvláštní částí paměti RAM tiskámy. Jelikož tiskárna obvykle potřebuje pro vlastní tisk znaků víc času, než potřebuje počítač pro vyslání těchto znaků do tiskárny, slouží tato vyrovnávací paměť k uvolnění počítače, aby během tisku mohl provádět další operace. Vnitřní vyrovnávací 28-76
28.1 Bodová tiskárna
paměť bodové tiskámy má obvykle kapacitu 7 až 8 kilobytů. V okamžiku, kdy se vyrovnávací paměť zaplní, vyšle tiskárna řídicí kód XOFF, aby počítači sdělila. že nemá posílat další data. Až se vyrovnávací paměť po odeslání některých znaků do procesoru uvolní, vyšle tiskáma do počítače kód XON, tím umožní pokračování ve vysílání dat. Mezi těmito kódy jsou povely, které tiskárně sdělují aby použila určité písmo, tj. tabulku bitových map, obsaženou v paměťových čipech tiskámy. Z této tabulky se přečte bodový vzor, který je použit pro vytvoření znaku reprezentovaného kódem ASCII. Procesor tiskámy vybere informaci o bitové mapě pro všechny znaky na jednom řádku a vypočítá nejefektivnější cestu pro pohyb tiskové hlavy. (Některé řádky se mohou skutečně tisknout zprava doleva.) Procesor odešle signály, které vybudí jehly v tiskové hlavě a rovněž řídí pohyb tiskové hlavy a válce. Elektrické signály z procesoru jsou zesíleny a putují do obvodů, které ovládají tiskovou hlavu. Tiskováii hlava má 9 nebo 24 hrotů, kterým říkáme tiskové jehly, a které jsou seřazeny vertikálně. Jeden konec každé jehly prochází elektromagnetem. Proud z procesoru aktivuje elektromagnet, ten vytvoří magnetické pole, které odpudí magnet na konci jehly, čímž se hlava posune směrem k papíru. Pohybující se jehla narazí do barvicí pásky, která je nasycena inkoustem. Síla úderu přenese inkoust na papír na opačné straně barvící pásky. Poté co jehla takto vystřelí, je pružinou vrácena do původní polohy. Tisková hlava při svém pohybu po stránce pokračuje ve vystřelování různých kombinací tiskových jehel tak, že znaky jsou nakonec složeny z různých vertikálních bodových vzorů. Na některých tiskámách je kvalita nebo tučnost vylepšena tím, že tisková hlava provádí druhý průchod nad týmž řádkem a tiskne druhou sadu teček, které jsou vůči první sadě malinko posunuty.
29 Jak pracuje laserová tiskárna Základem tiskárny je tiskový stroj – mechanismus, který na stránku nanáší toner – je to zařízení, jehož předchůdcem je kopírka. Jeho části představují nejvyšší stupeň technologie tisku, včetně laserového svitu, přesného posunu papíru a mikroprocesorového řízení všech činností. Pro dosažení kvality, která se téměř rovná 29-77
29 Jak pracuje laserová tiskárna
kvalitě klasického tisku, a která je pro laserovou tiskárnu charakteristická, musí tiskárna současně řídit pět různých operací: (1) musí interpretovat signály přicházející z počítače, (2) tyto signály převádět do instrukcí řídících pohyb laserového paprsku, (3) řídit pohyb papíru, (4) papír učinit citlivým tak, že přijme černý toner, který na jeho povrchu vytvoří požadovanou kresbu a (5) kresbu na papíře zatavit. Výsledkem je tisk bez kompromisů. Nejenže laserová tiskárna tiskne rychleji, než bodové tiskárny, ale stránky vytištěné na laserové tiskárně jsou v detailech mnohem ostřejší, než na bodové tiskárně. Laserová tiskárna představuje pro dohlednou budoucnost standard nejvyšší kvality počítačového tisku.
29.1 Laserová tiskárna Operační systém vašeho osobního počítače nebo software na něm běžící vyšle do laserové tiskárny signály, které určují polohu teček toneru na papíře. Signály jsou jednoho ze dvou typů – buď samotný ASCII kód znaku nebo povel jazyku pro popis stránky. (Viz. Jak pracují bitové a vektorové fonty). Instrukce z procesoru tiskárny v rychlém sledu zapínají a vypínají paprsek světla z laseru. Rotující zrcadlo odráží laserový paprsek tak, že cesta paprsku je vodorovnou čarou jdoucí přes povrch válce, kterému se říká OPC (organic photoconducting cartridge, organická světlovodná cívka) nebo také jednoduše buben. Spojení kmitajícího laserového paprsku a pohybu paprsku po válci vytváří mnoho nepatrných světelných bodů, které zasahují povrch bubnu v rozsahu jednoho řádku. Když laser skončí osvětlování bodů přes celou šířku OPC, buben se otočí – u většiny laserových tiskáren o 1/300 palce – a laserový paprsek začne zpracovávat další řádek bodů. V tutéž dobu, kdy se buben začíná otáčet, řada soukolí a válců zavádí papír do tiskového ústrojí po cestě, které říkáme papírová dráha. Papírová dráha protlačí papír přes elektricky nabitý drát, který papír elektrostaticky nabije. Nabití může být buď kladné nebo záporné, podle toho, jak je tiskáma konstruována. V našem příkladě budeme předpokládat, že nabití papíru je kladné.
29-78
29.1 Laserová tiskárna
Dopad jednotlivých světelných bodů na buben způsobí, že negativně nabitá tenká vrstva – obvykle vyrobená z oxidu zinku a jiných materiálů – na povrchu bubnu změní svoje napětí; tyto body pak mají stejné elektrické napětí jako list papíru. V našem příkladu by světlo způsobilo změnu záporného napětí na kladné. Každé kladné napětí označuje bod, který se případně otiskne na papír jako černá tečka. Oblasti bubnu nedotčené laserovým paprskem si ponechávají svoje záporné napětí, které má za následek bílé místo na papíře. Asi v polovině otočení bubnu přichází OPC do styku s nádobkou, obsahující toner. Toner má v našem příkladu záporné elektrické napětí – opačné než napětí vytvářené laserovým paprskem na bubnu. Částice s opačným statickým nábojem se vzájemně přitahují, což způsobí nalepení toneru na buben ve vzorech složených z malých teček, všude tam, kde paprsek laseru změnil napětí na kladné. Buben pokračuje v otáčení a otiskuje se na listiii papíru, který je veden podle papírové dráhy. Třebaže elektrické napětí na papíře má stejnou polaritu jako napětí na bubnu vytvořené laserovým paprskem, napětí na papíře je silnější a toner se z bubnu otiskne na papír. Rotací bubnu se jeho povrch dostane do blízkosti tenkého drátu zvaného koronový drát. Říká se mu tak proto, že elektřina procházející drátem vytváří kolem sebe prstenec neboli koronu, která má kladné napětí. Korona vrátí celému povrchu bubnu jeho původní záporné napětí, takže laserovým paprskem lze na povrchu bubnu nakreslit další stránku. Další sada válečků protáhne papír částí tiskového ústrojí tzv. zatavovacího systému. Tlak a teplota zatlačí toner natrvalo do papíru tím, že rozpustí a zatlačí vosk, který je jednou ze složek toneru. Teplo ze zatavovacího systému způsobuje, že právě vyjmutý papír z laserové tiskárny je teplý. Papírová dráha vytlačí papír ven z tiskárny, obvykle tištěnou stranou dolů, takže stránky jsou ve výstupním zásobníku uloženy ve správném pořadí.
29-79
30 Jak pracuje inkoustová tiskárna
Poznámka: Ve shora uvedeném popisu se vyskytující elektrická napětí mohou na všech místech obrátit a výsledek bude tentýž. Metoda zde popsaná platí pro většinu tiskáren, které používají tiskové ústrojí Canon, jako jsou modely Hewlett-Packard, které jsou mezi laserovými tiskárnami standardem. Tomuto přístupu se říká černý tisk, protože každý bod na tiskovém bubnu zasažený laserovým paprskem označuje místo, které bude na výstupu z tiskárny černé. Existuje však alternativní způsob, jak může laserová tiskárna pracovat, a tento způsob vytváří významně jiné výsledky. Tato druhá metoda, používaná v tiskových ústrojích Ricoh, se nazývá bílý tisk, protože všude tam, kde se dotkne laserový paprsek bubnu, vzniká totéž napětí jako má toner – toner je tedy přitahován oblastmi nedotčenými paprskem světla. Tiskárny s bílým tiskem obecně lépe, výrazněji tisknou tmavé oblasti, zatímco tiskárny s černým tiskem produkují jemnější detaily.
30 Jak pracuje inkoustová tiskárna Inkoustové tiskárny obsazují místo mezi bodovými jehličkovými a laserovými tiskárnami. Tyto malé tiskárny mají tutéž jemnou kresbu jako laserové tiskárny. Pouze při podrobné prohIídce můžete nalézt rozdíly mezi výstupem z laserové a inkoustové tiskárny. Přes všechnu jejich podobnost s laserovými tiskárnami se však inkoustové tiskárny více podobají bodovým. Oba dva typy mají tiskové hlavy, které cestují přes šířku stránky, a při každém průchodu za sebou nechávají řádek textu. Tento mechanický pohyb řadí inkoustové tiskárny do téže rychlostní třídy jako jehličkové tiskárny, ale inkoustové tiskárny používají inkoust k vytváření daleko menších teček, než to umí jehličkové tiskárny. Cena inkoustovek je obvykle blízká ceně bodových tiskáren. Představují perfektní kompromis ceny, rychlosti a kvality. Tisková hlava používá neobvyklou technologii. Inkoustová tiskárna vystřikuje na papír malinké kapky inkoustu. Je to technologie, která přináší také nepříliš drahý barevný tisk.
30.1 Inkoustová tiskárna Kazeta naplněná inkoustem, připojená k tiskové hlavě inkoustové tiskárny, se pohybuje do stran přes šířku papíru procházejícího tiskárnou pod tiskovou hlavou. Tisková hlava je vytvořena z 50 komůrek naplněných inkoustem, z nichž každá je napojena na trysku tenčí, než je lidský vlas. 30-80
30.1 Inkoustová tiskárna
Elektrické pulsy procházejí tenkými odpory na dně všech komůrek, které tiskárna používá pro kreslení znaků na papír. Prochází-li odporem elektrický proud, tak odpor zahřívá tenkou vrstvu inkoustu na dně komůrky na více než 482 stupňů Celsia po dobu několika miliontin sekundy. Inkoust se dá do varu a vytvoří bublinku páry. Jak se bublinka páry roztahuje, vytlačuje tryskou inkoust, který v ústí trysky vytváří kapičku. Kapička překonává povrchové napětí inkoustu a tlak bublinky s párou vytlačí kapičku na papír. Obsah vypuzeného inkoustu je roven asi jedné miliontině obsahu kapky vody z očního kapátka. Typický znak je tvořen polem 20 krát 20 kapiček. Jak odpor chladne, bublinka splaskává iv . Vznikající podtlak nasaje z připojeného zásobníku do vystřelovací komůrky čerstvý inkoust.
31 Jak pracuje tepelná tiskárna Třebaže jsou barevné tiskárny stále rychlejší, menší a levnější, činí samotná podstata kombinování barev na jednom listu papíru neustálé problémy. Jde o složité uspořádání pouhých čtyř barev inkoustu – modrozelené (cyan), fialové (magenta), žluté a černé. (Někdy není černá přítomna, protože tiskárna umí udělat černou – obvykle ne se zcela uspokojivými výsledky – pomocí kombinace stejného dílu tří ostatních barev). Když se zblízka podíváte na zvětšenou část barevně vytištěné stránky, vidíte vzor složený z barevných bodů. Jelikož je každá vytištěná barva složena nejméně ze tří samostatných barev, musí být každá stránka ve skutečnosti tištěna alespoň třikrát. K času, potřebnému k provedení všech těchto mechanických pohybů, připočítejte čas, který váš software potřebuje pro výpočet správného poměru barev a ke generování instrukcí pro tiskárnu a máte proces, který je pořád ještě hodně pomalý. Některé ze starších barevných tiskáren byly založeny na variacích technik používaných v tradičních černobílých tiskárnách. Bodové tiskárny tehdy používaly barvicí pásky se třemi nebo čtyřmi proužky barevného inkoustu. Inkoustové tiskárny používají tři nebo čtyři tiskové hlavy, každou s kazetou barevného inkoustu. Nejnovější výzkum přinesl barevné laserové tiskárny, které 31-81
31 Jak pracuje tepelná tiskárna
prohánějí papír pro každou barvu přes samostatné tonery. Nejpoužívanějším profesionálním zařízením pro barevný tisk je dnes barevná tepelná tiskárna. Proces poskytuje živé barvy, protože používané inkousty se nerozpíjejí ani neprosakují speciálně potaženým papírem. V barevném tisku byly sice učiněny i jiné pokroky, ale dnes je standardní metodou barevný tepelný tisk.
31.1 Tepelná barevná tiskárna Tepelná barevná tiskárna posunuje arch papíru se speciálním povlakem ze vstupního zásobníku do tiskového ústrojí, kde je papír na jedné straně držen válcem, který jej přitlačuje na široký pruh fólie potažené barevným inkoustem smíchaným s voskem a plastickou hmotou. Fólie je dělena na pruhy s každou z kompozitních barev – modrozelenou, fialovou a žlutou a pokud je použita, i černou. Každý barevný pruh pokryje velkou oblast – celou šířku a výšku papíru. Papírv procházející papírovou dráhou, je nejprve přitisknut na modrozelený pruh na fólii. Jeden nebo více zahřívacích prvků, uspořádaných do řady v tepelné tiskové hlavě na druhé straně fólie, se zapínají nebo vypínají a roztaví malé body modrozelené barvy. Roztavené body jsou zatlačeny do papíru. Papír se pohybuje dál papírovou cestou, až je téměř vysunut z tiskárny. Jak se papír odlepuje od fólie, zůstává neroztavený modrozelený inkoust na fólii a roztavená barva zůstává nalepena na papíře. Barevná fólie se pootočí a nastaví fialový pruh; papír je vtažen zpět do tiskárny, kde je přitlačen na fialový pruh na fólii a tepelný proces se opakuje. Proces se opakuje pro všechny barvy použité na tiskárně, čímž dojde ke kompletnímu vytištění jedné strany. Poté je list papíru vysunut z tiskárny.
31-82
31.1 Tepelná barevná tiskárna
Rejstřík
B
M
bit, 5-16, 5-17, 8-25, 15-42, 16-44, 20-54, 22-60, 22-61 byte, 4-14, 5-17, 8-25, 8-26, 15-41, 18-49, 18-50, 2054, 20-55, 22-59
mikroprocesor, 6-17, 7-20, 18-49 myš, 21-56, 21-57, 21-58
O
C
obvod, 5-17 operační systém, 2-6, 2-8, 3-8, 3-9, 4-11, 4-12, 4-14, 415, 5-16, 8-23, 10-31, 16-42, 17-46, 18-50, 24-68
cache, 7-19, 6-19, 7-20, 7-21, 11-31, 11-32, 11-33, 1134
D
P
data, 2-7, 2-8, 3-9, 4-11, 4-12, 4-13, 4-15, 5-16, 5-17, 6-17, 7-19, 6-19, 7-20, 7-21, 7-22, 7-23, 8-23, 8-24, 8-26, 8-27, 9-28, 9-29, 10-29, 10-31, 11-31, 11-32, 11-33, 12-34, 12-35, 13-36, 13-37, 15-40, 15-41, 15-42, 16-44, 17-45, 17-46, 20-54, 20-55, 20-56, 22-58, 22-59, 22-60, 22-62, 23-64, 25-69, 25-70, 25-71, 26-71, 26-72, 26-73, 28-77 disk, 3-9, 4-11, 7-22, 8-24, 8-25, 8-26, 10-29, 10-30, 10-31, 11-31, 11-32, 11-33, 12-35, 12-36, 13-36, 13-37, 14-38, 14-39, 15-41, 15-42, 16-42, 16-43, 16-44, 18-47, 22-60 disketa, 3-9, 9-28, 9-29 DOS, 1-6, 3-9, 3-10, 3-11, 4-11, 4-12, 4-13, 4-14, 5-16, 6-17, 8-23, 8-24, 8-25, 8-26, 8-27, 11-32, 19-50, 2671
paměť, 2-6, 2-7, 3-10, 4-12, 4-13, 5-15, 5-16, 7-19, 619, 7-20, 7-21, 7-22, 8-23, 9-28, 11-32, 11-33, 1134, 13-37, 15-40, 15-41, 19-51, 20-55, 27-74, 28-76 paprsek, 9-29, 12-35, 13-36, 13-37, 19-51, 19-52, 2364, 29-78, 29-79, 29-80 počítač, 2-6, 3-8, 3-11, 4-13, 5-15, 5-16, 7-20, 7-21, 825, 11-32, 12-35, 16-43, 17-45, 17-47, 18-47, 1849, 20-56, 21-56, 22-58, 22-59, 22-60, 22-62, 2468, 25-69, 26-72, 27-74, 27-75, 28-76
R RAM, 3-8, 3-9, 3-10, 4-12, 4-13, 4-14, 4-15, 5-15, 5-16, 5-17, 6-17, 6-18, 6-19, 7-19, 6-19, 7-20, 7-21, 7-23, 8-26, 8-27, 11-32, 11-33, 15-40, 27-74, 28-76
E
Ř
elektřina, 29-79 řadič, 10-30, 10-31, 15-40, 16-43, 16-44, 17-45, 17-47
F
S
FAT, 8-26, 8-27, 10-31, 15-39, 15-40, 15-41 schéma, 8-23, 12-35, 13-36, 17-45, 22-60, 26-71, 2773 signál, 2-7, 4-12, 4-15, 5-16, 5-17, 9-29, 17-45, 17-46, 18-48, 18-49, 19-51, 20-55, 21-57, 21-58, 22-58, 22-59, 22-60, 22-62, 23-65, 24-68, 25-70, 26-73 software, 3-8, 4-11, 4-14, 5-15, 5-16, 5-17, 7-20, 7-21, 8-24, 8-26, 8-27, 9-28, 10-31, 15-40, 15-41, 15-42, 16-44, 18-50, 19-50, 19-51, 22-58, 22-59, 22-60, 22-62, 23-63, 23-66, 24-67, 26-71, 27-73, 29-78, 31-81 soubor, 3-9, 3-10, 3-11, 8-24, 8-25, 8-26, 8-27, 10-31, 11-33, 15-40, 15-41, 15-42, 16-43, 16-44, 23-66
J jádro, 2-7, 8-24
K kapacita, 8-23, 10-30, 12-34 kružnice, 8-24, 24-67
L laser, 7-22, 13-36, 29-78
31-83
T tiskárna, 4-15, 20-55, 20-56, 27-73, 27-75, 28-76, 2977, 29-78, 29-80, 30-80, 30-81, 31-81, 31-82 trackball, 21-57
W Windows, 15-39, 19-50, 21-56
Seznam obrázků Obrázek 1 Žena u počítače .......................................................................................................... 4-12 Obrázek 2 Diskety ........................................................................................................................ 5-15 Obrázek 3 Sestava ....................................................................................................................... 6-18 Obrázek 4 Přenos......................................................................................................................... 7-20 Obrázek 5 Plošně ......................................................................................................................... 8-23
Vysvětlivky
i
Nikoli zastávka. Nikoli mluvčí. iii Nikoli ze stromu. iv Zmenšuje se. v Hořící médium. ii
