Univerzita Palackého Olomouc Pedagogická Fakulta Středisko celoživotního vzdělávání učitelů
Učební text k výuce moderních vzdělávacích technologií (HW, SW, sítě)
Závěrečná práce
Zpracoval: Vladimír Dohnal Vedoucí práce: RNDr. Evžen Růžička, CSc.
Přerov 2004
Prohlašuji, že jsem svou závěrečnou práci vypracoval samostatně a použil jen uvedených pramenů a literatury. V Přerově dne 22. září 2008 .………………………………….. vlastnoruční podpis
Poděkování Děkuji panu RNDr. Evženu Růžičkovi, CSc. z PF UP v Olomouci za odborné vedení závěrečné práce, poskytování rad a materiálových podkladů k práci.
Obsah ÚVOD 1 1. Vstupní zařízení 1 1.1. Klávesnice .................................................................................................................. 1 1.2. Polohovací zařízení .................................................................................................... 1 1.3. Skener (scanner)......................................................................................................... 4 1.3.1. Parametry skenování .......................................................................................... 5 1.3.2. Optické snímače ................................................................................................. 7 2. Výstupní zařízení7 2.1. Tiskárny...................................................................................................................... 7 2.1.1. Mechanické tiskárny .......................................................................................... 7 2.1.2. Inkoustové tiskárny ............................................................................................ 8 2.1.3. Termotiskové tiskárny...................................................................................... 10 2.1.4. Laserové tiskárny ............................................................................................. 10 2.1.5. Plotery .............................................................................................................. 11 2.2. Zobrazovací jednotka - CRT (Cathode Ray Tube) monitor..................................... 12 2.3. Zobrazovací jednotka - LCD (Liquid Crystal Display) ........................................... 13 2.4. Dataprojektory.......................................................................................................... 16 3. Ostatní periferie 19 3.1. Modem, faxmodem .................................................................................................. 19 3.1.1. ADSL ............................................................................................................... 20 3.2. Síťová karta .............................................................................................................. 20 3.3. Zvuková karta........................................................................................................... 20 3.4. Typické i exotické odrůdy rozšiřujících karet.......................................................... 21 3.5. Grafická karta........................................................................................................... 22 3.6. Rozhraní a sběrnice .................................................................................................. 24 3.6.1. Sériové rozhraní ............................................................................................... 24 3.6.2. Paralelní rozhraní ............................................................................................. 24 3.6.3. USB .................................................................................................................. 24 3.6.4. SCSI ................................................................................................................. 25 3.6.5. Fire-Wire .......................................................................................................... 25 3.6.6. PCMCIA........................................................................................................... 26 3.6.7. Sběrnice počítače.............................................................................................. 26 4. Paměti v počítači 27 4.1. Výměnná paměťová média ...................................................................................... 29 5. Základní deska v PC 29 5.1. BIOS (Basic Input Output System).......................................................................... 30 6. Procesory 32 6.1. Dělení procesorů ...................................................................................................... 33 6.2. Historie výroby......................................................................................................... 33 7. Záznamová média 36 7.1. Pevné disky (HDD) .................................................................................................. 36 7.2. RAID (Redundant Array of Independent Discs)...................................................... 40 7.3. Pružné disky (FDD) ................................................................................................. 40 7.4. Výměnné pevné disky .............................................................................................. 41 7.5. Iomega ZIP............................................................................................................... 41 7.6. CD-ROM .................................................................................................................. 42 7.7. CD-R ........................................................................................................................ 42 7.8. CD-RW Přepisovatelné optické disky...................................................................... 43
7.9. DVD ......................................................................................................................... 44 7.10. Zařízení se sekvenčním přístupem - Streamer ..................................................... 44 8. UPS – Záložní zdroj (Uninterruptible Power Supply) 46 9. Počítačové sítě 48 9.1. Druhy sítí.................................................................................................................. 48 9.2. Kabely ...................................................................................................................... 49 9.2.1. Strukturovaná kabeláž ...................................................................................... 52 9.3. Topologie sítí............................................................................................................ 52 9.4. Prvky sítě.................................................................................................................. 53 9.4.1. Síťový HW ....................................................................................................... 53 9.5. Bezdrátové sítě ......................................................................................................... 55 10. Síťové modely 56 10.1. Packet (paket)....................................................................................................... 56 10.2. Model ISO/OSI .................................................................................................... 56 10.3. Model TCP/IP ...................................................................................................... 58 11. Viry & antiviry 59 11.1. Dělení virů............................................................................................................ 59 11.2. Pravidla antivirové ochrany ................................................................................. 59 11.3. Některé parametry antivirových programů .......................................................... 60 Závěr 61 Použitá literatura a prameny 61
-1-
ÚVOD V práci řeším problematiku nedostatku vhodných studijních materiálů pro studenty předmětů souvisejících s výpočetní technikou. Tempo vývoje výpočetní techniky je vysoké a odborné publikace nestačí být vydávány v dostatečném časovém sledu a proto jsem se rozhodl pro popis vybraných tématických okruhů ve výpočetní technice. Často též nevyhovuje obsahová úroveň publikací. Někdy je kniha příliš odborná, jindy jsou vynechány celky, které považuji pro výuku za důležité. Snažil jsem se o názornost, proto používám v hojné míře obrázků. Velká část mnou čerpaných pramenů je z odborných časopisů. Zpravidla ne starší než jeden rok. Je to pro to, aby se vystihly soudobé trendy rozvoje výpočetní techniky v úzké návaznosti na očekávaný budoucí vývoj v dané oblasti.
1.
Vstupní zařízení
1.1. Klávesnice Jedná se o nejběžnější vstupní zařízení osobních počítačů. Připojují se k PC nejčastěji přes PS/2 konektor DIN (starší) nebo rozhraní USB. Dříve měly klávesnice 83 respektive 84 kláves (PC XT), dnes jsou nejběžnější klávesnice s 101 resp. 102 klávesami. Pro práci v operačním systému Windows se přidávají další speciální klávesy. Další přídavná tlačítka pro pohodlnější práci v síti Internet a multimédia obsahují multimediální klávesnice. Pro některá programovatelná tlačítka (až 12) lze pomocí přídavných ovladačů přiřadit libovolné uživatelské akce (spouštění oblíbených programů a pod). Pro zvýšení ergonomie práce se vyrábějí ergonomické klávesnice s jiným než klasickým rozložením kláves, klávesnice s kloubem, zalomené atd. Některé klávesnice obsahují rovněž rolovátka stejná jako myš či zařízení pro změnu polohy kurzoru, a dále nejčastěji trackball nebo trackpad (notebooky).
Obr. 1.1 Klávesnice
http://computer.cpress.cz Computer 05/2003 1.2. Polohovací zařízení Zařízení slouží k pohybu kurzoru po obrazovce. Nejobvyklejším polohovací zařízením je počítačová myš.
-2-
Obr. 1.2 Konektor PS/2, USB, Redukce PS2/USB
Obr. 1.3 Myš s vyjmutou kuličkou
Obr. 1.4 Detail optického snímače
Obr. 1.5 Myš - řez
Základním prvkem (skoro) každé myši je kulička – kulička je z kovu potaženého gumou, která je velmi dobře přilnavá. Třením o podložku se kulička otáčí a díky tomu zase uvnitř myši otáčí dvěma černými kolečky (nebo válečky) a jedním bílým, které ji tiskne (pomocí pružiny) k těm černým. Pohyb z koleček se přenáší na senzory, které dávají impuls počítači. Nevýhodou myší je časté zanášení kuličky a válečků. Na povrchu polohovacího zařízení jsou tlačítka k dalšímu ovládání. Jedno tlačítko používají například počítače Macintosh, dvě tlačítka se používají v MS Windows, některé programy využívají rovněž tří tlačítka či další ovládací prvky. Myši se k počítači připojují přes sériový port (9 kolíků), PS/2 nebo USB, infračerveným nebo rádiovým spojením nebo připojením přes Bluetooth. Důležitým parametrem je rozlišení, které myš je schopná detekovat. Hodnoty se pohybují v rozmezí 300 až 600 dpi. Vyšší rozlišení znamená rychlejší a přesnější pohyb kurzoru. Optická myš – Optické snímání povrchu zajišťují tři součásti, LED dioda, optický snímací prvek (kamera), a procesor. Dioda vysílá světlo (červené či modré), které se přes hranol nebo zrcátko usměrní na plochu, po níž se myš pohybuje. Snímací prvek založený na principu CCD nebo CMOS snímá osvětlený povrch. Běžná rychlost činí 1 500 snímků za sekundu. Malá kamerka vyfotí každý povrch, na němž se myš vyskytuje a tuto informaci použije pro výpočet pohybu myši. K výpočtu polohy slouží vestavěný procesor DSP (Digital Signal Processor), typicky o rychlosti 18 MIPS (Milion Instructions Per Second), do něhož jsou směřovány veškeré obrázky k provedení analýzy. Jeho úkol je porovnat dva obrázky a z nich určit kam se myš pohnula. Kvalita snímání je ovlivněna dvěma faktory. První je svítivost diody. Čím lépe a jasněji dovede dioda osvětlit plochu, tím bude kamerka úspěšnější v snímání povrchu a procesor bude moci provedený úkon lépe vyhodnotit. Druhý faktor je rychlost snímkování. Čím větší je rychlost snímání (typicky 1500 snímků/s), tím kvalitnější je rozpoznávání povrchu a
-3přesnější interpretace pohybu na monitoru. Nejvyšší rychlosti 6 000 snímků za sekundu v současné době (r. 2004) dosahuje Microsoft IntelliMouse Explorer 3.0. Konkurenční MX řada Logitechu se vydala trochu jiným směrem a kromě zvýšení počtu snímků se zvýšilo především rozlišení optického snímače. Rychlost snímání a zpracování u tohoto modelu je neuvěřitelných 4,7 Mpx/s. Mezi základní výhody optických myší patří nenáročná údržba a nízké opotřebení snímacího systému. Přesnost je ceněna v oblasti počítačové grafiky – DTP, webdesign a výhoda u notebooků na cestách s různými povrchy. Dalšími polohovacími zařízeními, které jsou používané převážně u přenosných počítačů, jsou: trackball, trackpoint a touchpad. Trackball (existuje i optický – kulička se spec.vzorkem pro rozpoznávání pohybu) je vlastně obrácená myš. Nevýhodou je obtížnější ovládání kurzoru a rychlejší zanášení kuličky. Trackpoint - jedná se o malý tlačítkový výstupek ve tvaru válečku nacházející mezi řadami kláves na klávesnici (obvykle mezi klávesami G,H a B). Používá se hlavně u notebooků. Trackpad neboli touchpad - tato dotyková destička se stále více používá jako polohovací zařízení přenosných počítačů. Většinou se mnohem lépe ovládá než trackball nebo trackpoint a nezanáší se nečistotami prstů.
Obr. 1.6 Notebook se snímači červený Trackpoint a Touchpad
V oblasti CAD a grafických aplikací náročnější na přesnost kreslení se místo myší používají tablety s perem. Princip snímání je u pera i myši na tabletu stejný. Myš obsahuje malou cívku a tablet zase prvky, které umožní pomocí elektromagnetické indukce určit místo, nad kterým se cívka nachází. Pomocí změny intenzity je také možné předat informaci o stisku tlačítka. Na profesionálních tabletech může být tato myš doplněna lupou se zaměřovacím křížem a tablet potom slouží třeba jako zařízení pro digitalizaci map. Nevýhodou tabletových myší je omezená možnost pohybu. Mimo tablet prostě snímání nefunguje, a proto je zejména na malých modelech skutečná použitelnost těchto zařízení velmi omezená.
Obr. 1.7 Tablet
Obr. 1.8 Kapesní počítač s dotykovou obrazovkou
Dalšími snímacími zařízeními se pro počítačové hry používá joystick nebo speciální volant, pedály a snímač čárového kódu na pokladně. http://computer.cpress.cz Computer 01/2003, 6/2003, 10/2003
-41.3. Skener (scanner) Zařízení, které sejme obrazovou předlohu a předá ji k dalšímu zpracování ( např.:tisku, zpracování na PC). Princip je stejný jako u kopírky. Světelný paprsek osvítí snímaný dokument a přes zrcadla a čočku přenese obraz na čipu, který ho umí vyhodnotit a převést do číselné soustavy k dalšímu zpracování. Deskové skenery - dnes nejčastější podoba skeneru. Důvodem je nízká cena a dostačující výsledky práce. Bubnové skenery- používají se pro náročnější práce, zejména v grafických studiích.Výhodou jsou lepší výsledky, nevýhodou naopak vysoká pořizovací cena. Ruční skenery - dnes se téměř nepoužívají. Špatná kvalita, náročná práce na přesnost. Kombinované stroje - kombinací kopírky, tiskárny, skeneru, faxu vznikne výborné kancelářské zařízení s mnoha funkcemi za přijatelnou cenu. 3D skener – použití pro filmová studia na digitální efekty, animace a trikové scény. Existují dva druhy snímání, a to CCD (Charge Coupled Device) a CIS (Compact Image Senzor).
Obr. 1.9 Skener CCD
Obr. 1.10 Skener CIS
Většího rozšíření dosáhli CCD skenery, protože jsou citlivější, barvy jsou věrnější, stejně jako možnost skenování průhledných objektů a hlavně trojrozměrných objektů. To v praxi znamená, že lze naskenovat i tu část dokumentu, která se přímo nedotýká skleněné podložky (prostředek knihy, a vlastně jakýkoli jiný předmět). Samozřejmě mají i nevýhody: vyšší cena, spotřeba elektrické energie a větší rozměry skeneru.
Obr. 1.11 Skener princip funkce
CCD skener se skládá z lampy, soustavy zrcadel (tří až čtyř), zaostřovací čočky, CCD snímače, analogo-digitálního převodníku a modulu pro zpracování signálu. Funguje to na principu zachytávání fotonů a jejich přeměnu na elektrické napětí. Lampa osvětluje snímanou část dokumentu, paprsek se odráží a přes systém zrcadel se dostává k čočce, kde se zaostří. Dopadne na CCD snímač, který obsahuje prvky na zpracování tří barev RGB (červená, zelená, modrá). Skener tedy dodá informace o složení těchto tří barevných složek v daném
-5bodě. Po přečtení jednoho řádku pokračuje skener na dalším, hlavu posouvá krokový motorek. CIS skener je jednodušší. Obsahuje LED diody, které mají červené, zelené a modré světlo. Světlo se odráží od předlohy a přes zaostřovací čočku dopadá na snímač CIS. Ten poskytuje údaje o napětí a dále je zpracování stejné jako u skenerů CCD. Odpadá tedy složitá soustava zrcadel i osvětlovací lampa. Jsou tedy tenčí, energeticky výhodnější a nepotřebuje externí napájecí zdroj.
Obr. 1.12 Princip skenování předlohy
1.3.1. Parametry skenování Základním parametrem je rozlišovací schopnost skeneru. Rozlišení lze rozdělit na optické a interpolované. Tento parametr výrazně vypovídá o kvalitě snímání. Čím je vyšší , tím je kvalitnější. Bohužel však na disku zabírá daleko více místa. Udává se v jednotkách dpi (dots per inch) neboli v bodech na palec délky. Optické rozlišení udává, kolik zvládne skener rozliší pomocí optických soustav. Tolik bodů skener skutečně vidí. Interpolované rozlišení je v podstatě domyšlené .Obvyklé optické rozlišení bývá 300- 600 dpi, dopočítané 4800-9600 dpi. Kvalita snímače je dána horizontálním rozlišením, vertikální rozlišení souvisí s konstrukcí krokovacího motorku, který pohybuje skenovací hlavou. Většinou jsou skenery konstruované tak, aby vertikální rozlišení bylo dvakrát větší než horizontální (tzn. že je skener 1200×2400 dpi a ne naopak). Stává se však, že výrobci uvedou rozlišení v opačném pořadí a pak máte místo skeneru 1200 dpi rozlišení 2400 dpi. Ve skutečnosti to tak ovšem není. Na druhou stranu rozlišení není nijak důležitá veličina, poněvadž velmi vysokou kvalitu zajišťuje i rozlišení 600 dpi, nehledě na to, že nejpoužívanější rozlišení se pohybuje kolem 200dpi. Pro představu: 600 dpi znamená na jeden řádek dokumentu A4 asi 5000 pixelů a na výšku jich je celkem něco přes 7000. Vcelku to znamená 35 milionů pixelů. Ve 24 bit barvách to je 105 MB dat. V rozlišení 2400 dpi to činí šestnáctkrát více = 1,7 GB!!! Z toho je také patrné, že rozlišení je pouze marketingový tahák a pro kvalitu snímání nemá příliš vliv, resp. nárůst kvality je zanedbatelný. Navíc nemá smysl skenovat něco ve vyšší kvalitě, než vůbec použijete (např. ve větším než zvládne vaše tiskárna). Jedno z mála využití vysokých rozlišení je asi při skenování negativů, kde je skutečně potřeba. Dále pokud chcete udělat zvětšeninu z fotografie např. do životní velikosti. Skenery s velmi vysokým rozlišením bývají často duální. Mají jeden snímač pro náhled (do 300 dpi) a druhý pro přesné skenování. Interpolované rozlišení (domyšlené body) Skener dopočítá prostřední body, jako prostředník okolních bodů. Dopočítávají se střední hodnota barev a jasu, výsledek má sice velké rozlišení, ale většinou se rozostří, takže je to skoro na nic – marketingové lákadlo.
-6V praxi má smysl používat rozlišení úměrné k využití. Např pro práci na webu stačí 80100 dpi což je maximum, které rozezná monitor. To co se bude tisknout stačí skenovat s rozlišením 100-200 dpi. Pro zpracování v časopise je vhodné 300-400 dpi. Chceme-li skenovat text pro další zpracování pomocí softwaru pro rozeznávání textu použijeme 300-400 dpi. Barevná (bitová )hloubka udává kolik bitů je vyhrazeno pro uložení informace o barvě jednoho bodu. Efektivní je 24 bitová barevná hloubka (True Color), víc nemá smysl, protože více barev není oko schopno rozlišit. Tento údaj udává, že 1 bod může mít kombinaci z 224 možných barev. Jsou k dispozici i skenery s bitovou hloubkou 36 a 48 bitů. Rychlost skeneru se dělí na dvě části, rychlost náhledu a rychlost konečného skenování. Také je potřeba počítat s určitou dobou nutnou pro zahřátí skeneru. Tento proces však může trvat i minutu a tak se výrobci snaží jej co nejvíce obejít. Po tuto dobu totiž uživatel jen čeká. Případně může skenovat, ale lampa ještě nevydává rovnoměrné světlo a tím pádem se zhoršuje kvalita skenování. Využívá se např. předehřívání na vyšší teplotu, bohužel to stojí trochu elektrické energie (potřeba proudu o velikosti asi 200 mA). Dnes se doba zahřívání začíná blížit ke 30 vteřinám, nicméně i toto je stále moc. Dále je důležitý typ propojení skeneru a počítače. Starší propojení pomocí paralelního portu je velmi pomalé a kabel je velmi široký. Naproti tomu modernější USB zajistí 12 Mb/s (1,5 MB/s), případně ve verzi USB 2.0 až 480 Mb/s (60 MB/s). Někdy bývá také doplněn o FireWire, ale ty jsou výjimkou. Používá se i rozhraní SCSI (bohužel počítače tímto rozhraním vybaveny nejsou a tak rozšiřující karta představuje další náklady). Pokud nepočítáme paralelní port, pak rozhraní příliš velkou roli nehraje. V Německu a Rakousku se musí platit 10€ za každý skener, který dokáže zpracovat více než 2 strany za minutu) jako odškodnění za rozmnožování. Proto jsou levnější skenery tak pomalé, aby se nemuselo za jejich rychlost platit. Skenery EPSON prý toto odmítají a všechny skenery pracují nejvyšší možnou rychlostí. Rozlišení (udáváno v dpi) ani barevná hloubka není pro kvalitu skeneru přímo rozhodující. Větší vliv má optický systém (CCD skenery), kde záleží na přesnosti umístění zrcadel, kvalitě čočky a dalších parametrech. Bohužel tyto vlastnosti nikde nikdo nepíše, kdo by také psal, že jeho skener má nepravidelnou čočku, posunutá zrcadla atd... Softwarové vybavení je velmi důležitou součástí skeneru, platí to jak pro zpracování fotografií tak pro OCR programy. Jedním z nejlepších je určitě Adobe Photoshop, ale z hlediska cenového se radši používají levnější, nicméně většinou stále kvalitní programy. Kdysi se tyto programy používaly na odstranění moiré a gama korekci, které teď již zpracovává přímo skener. Nutností jsou tzv. OCR (Optical Character Recognition) programy, které dokáží z naskenované předlohy přečíst písmena. Popsaná naskenovaná stránka je okamžitě převedena na text, který se dá vložit například do Wordu. Skenování průsvitných materiálů je náročnější. Z principu skeneru je jasné, že od průhledné předlohy se moc světla neodrazí a vlastně pokračuje za předlohu. Na to je dobrá druhá lampa (ve víku skeneru), ta svítí a světlo prochází pěkně až do snímače. Při tomto skenování (35 mm diapozitiv) se používá dianástavec, který zajišťuje i přesné umístění filmu. Dianástavec se obyčejně ke skeneru dokupuje a lze je dokoupit takřka do každého skeneru. Svítivost s dianástavcem je velmi vysoká, až 4200 cd/m2, to znamená třikrát vyšší spotřebu elektrické energie. Rychloskenery dokáží zpracovat ohromné množství stránek za minutu (asi 10-50), přičemž bývají většinou černobílé a jsou vybaveny i kvalitním OCR programem. Do vstupního zásobníku se vejde až 200 listů (k normálním skenerům obyčejně na 30 listů) což znamená, že celou knihu je naskenována za 5-15 minut. Cena se ovšem počítá na desítky tisíc korun. http://computer.cpress.cz Computer 08/2003
-71.3.2. Optické snímače Přestože snímačů je několik druhů, jedno mají společné – způsob záznamu obrazové informace. Snímací čip je vlastně matice světlocitlivých buněk. Ty pak představují pixely, jež známe z tabulek technických dat fotoaparátů. Světlo „usměrněné“ optickou soustavou objektivu dopadá na buňky snímače. Snímací čip jakéhokoliv typu v podstatě pouze zachycuje intenzitu světla. Jinak řečeno, snímače v principu pracují černobíle, respektive ve škále šedé. Žádné světlo znamená bílá, málo světla světle šedá, více světla tmavě šedá a nakonec hodně světla černá. Rozsah je zpravidla limitovaný pověstnými 256 úrovněmi šedé, tedy pochopitelně včetně bílé a černé.
Obr. 1.13 Matice snímače CCD (RGBG)
Obr. 1.14 Rozklad světla na 3 složky RGB
http://computer.cpress.cz Computer 13/02
2.
Výstupní zařízení
2.1. Tiskárny Dělení tiskáren: černobílé, barevné - používá se tří resp. čtyř barev, azurová (cyan), purpurová (magneta), žlutá (yellow), případně ještě černá (black). Podle toho se pak tyto tiskárny označují jako CMY nebo CMYK. 2.1.1. Mechanické tiskárny Mechanické tiskárny využívají tisk přes barvicí pásku, podobně jako psací stroj. Dnes se většinou používají tiskárny jehličkové, kdy jednotlivé jehličky jsou schopny zobrazit body. Existují však i mechanické tiskárny znakové (tiskárny s typovým kolečkem, řetězové tiskárny, ...), které sice nedokáží tisknout obrázky, ale pro tisk znaků jsou velmi rychlé. Jehličkové tiskárny - obrázek nebo znak se tvoří z jednotlivých bodů. Bod vznikne jako otisk jedné jehličky přes barvící pásku na papír. Jehličky jsou uloženy v tiskové hlavě a každá z nich je ovládána samostatně. Počet jehliček je nejčastěji 9 nebo 24. Barevné jehličkové tiskárny používají pro tisk tří (čtyř) barevnou pásku. Mezi výhody jehličkových tiskáren patří nižší cena tiskárny i tisku a snadná obsluha. K nevýhodám patří horší kvalita tisku a vyšší hlučnost. Příklady barevných jehličkových tiskáren: Star LC 24-200, ZA 250, Citizien Swift 240C atd.
Obr. 2.1 Tisk na jehličkové tiskárně (9 a 24 jehel) (72 DPI, 180 DPI)
-8-
Obr. 2.2 Testovací obrazce kvality tisku jehličkové tiskárny SJ 144 a laserové HP-LJ4
2.1.2. Inkoustové tiskárny Znaky a obrázky vznikají z jednotlivých malých kapiček inkoustu, který se vystřikuje na papír. Tyto tiskárny se dělí na dva nejčastější druhy: Termální technologie (Bubblejet), bublinkové tiskárny Tiskové hlavy dnes zpravidla obsahují několik stovek trysek, jejichž průměr je přibližně stejný nebo menší než lidský vlas (ten má okolo 100 mikrometrů). V jednom okamžiku se musí z trysky uvolnit přesné množství inkoustu, které má obsah mezi 4–10 pikolitry, a ten udělá doslova a do písmene kaňku o průměru 30–60 mikronů (mikrometrů, 10-6 m). Její velikost je dána jednak typem inkoustu, jednak charakterem papíru. Právě hodnota okolo 30 mikronů je velikost, které je schopno oko ještě postřehnout, proto vytvářet menší kapky je diskutabilní. Zpravidla čtyři až osm barevných kapek systému CMY vytvoří v tomto bodě požadovanou barvu. Černá tisková hlava má často větší trysky, protože pro tisk písma a obrázků se upřednostňuje sytost černé barvy, takže jednotlivé kapky mohou mít klidně i 30 pl (ale ne více – to by se projevilo zubatostí křivek a písmen). Aby se inkoust dostal na vzdálenost až jednoho milimetru z hrdla trysky na papír a zároveň byl přesně a rychle dávkován, je tryska vybavena topným odporem, který rychle přivede inkoust v žhavící komůrce u hrdla trysky do varu. Zde vznikne bublina a ta se při prasknutí rozstříkne hrdlem trysky na papír. Část inkoustu se tímto prudkým ohřátím odpaří.Proto mluvíme o BubbleJet technologii; největšími výrobci těchto tiskáren jsou Canon a Hewlet-Packard. U této technologie velmi závisí na kvalitě inkoustu – za prvé inkoust slouží jako chladivo pro topný odpor, za druhé ohříváním inkoustu na bod varu se může ucpat tryska – kapalná složka se vypaří a pevný pigment trysku ucpe. I přes tyto problémy (vysoké nároky na kvalitu inkoustu) se jedná o nejrozšířenější technologii inkoustového tisku. Piezoelektrické tiskárny (Inkjet) Druhá nejrozšířenější technologie inkoustového tisku využívá piezoelektrický efekt. Typickým zástupcem a velkým propagátorem této technologie je firma Epson. Zde je před tryskou malá nádobka s inkoustem, kde je umístěn piezzoelektrický rezonátor Speciální krystal změní v tiskové hlavě působením elektrického pole své rozměry. Kapka, která se dostane na prudce se zvětšující krystal, je vymrštěna na papír. Velkou výhodou je, že inkoust není namáhán teplotním šokem jako u technologie termální. Na druhou stranu ale nastává problém s rezonancí celé tiskové hlavy a částečně i s hlukem. V současné době používá Epson ve svých tiskových hlavách 128 trysek pro černý inkoust a 192 trysek pro barevný tisk (CMY), tj. 64 trysek na každou barvu s fyzickým rozlišením 720 × 720 dpi (nebo 1 440 dpi při dvojitém přetisku). K tiskové hlavě je připojen patrona s inkoustem cartridge. Výhodou inkoustových tiskáren je tichý chod, kvalitní tisk, relativně nízké náklady na tisk. K nevýhodám patří nutnost tisku na kvalitní papír, na kterém se inkoust nerozpíjí, při tisku větších ploch dochází občas k zprohýbání papíru vlhkem.
-9-
Obr. 2.3 Tiskárna a cartridge CMY+K
Obr. 2.4 Cartridge CMY+LC+LM+K
Obr. 2.5 Kolorimetrický trojúhelník
Aditivní zobrazení, sčítací barevný model (RGB) – tato metoda znamená generování tří základních aditivních složek. Je to červená, zelená modrá. Příslušný barevný odstín dostaneme díky odpovídající intenzitě jednotlivých složek a jejich smíchání (sečtení) v jednom místě, resp. v malé plošce, kterou lidské oko díky své nedokonalosti vnímá jako jeden barevný bod. Tento model používají pro svou práci monitory CRT i LCD. Substraktivní zobrazení, odečítací barevný model (CMY) – z toho důvodu, že zde není aktivní zdroj záření. K vjemu barvy dochází tak, že barevný bod na papíře je osvícen z jiného zdroje bílým světlem a barevný pigment pohltí nežádoucí vlnové délky zbylé odrazí (při tisku na papír a jiné neprůhledné podložky) do našeho oka záření požadované vlnové délky (barvy). Tato metoda znamená interakci tří primárních barev (azurová - Cyan, purpurová - Magnetta žlutá - Yellow). Tento model používají pro svou práci všechny barevné tiskárny.
- 10 -
Obr. 2.6 Sčítací barevný model RGB
Obr. 2.7 Odečítací barevný model CMY
PhotoREt II – technologie PhotoREt II umožňuje tisknout ve fotokvalitě bez nutnosti používat speciální barevnou tiskovou náplň. Výhoda této technologie spočívá v tom, že dokáže lépe namíchat barvy na jediný tiskový bod. Konkrétně je to až 16 kapiček o velikosti 8 pl (pikolitrů) na jednom bodě, což znamená čtyři stupně sytosti od každé barvy. PhotoREt III – jedná se o vylepšení technologie Photo- REt II. Hlavní rozdíl spočívá ve zmenšení objemu kapičky inkoustu na 5 pl. Je zajímavé, že zmíněných 5 pl je garantováno při všech objemech a režimech tisku. Zvýšila se ale také frekvence vystřelování inkoustu (na 18 kHz) a počet trysek v tiskové hlavě (na 408). Každá tryska tak může teoreticky vystřelit až 18000 kapiček inkoustu za jednu vteřinu. Colorsmart III – zdokonalený ovladač tiskáren HP, který umožňuje ostřejší internetový tisk. Dpi (počet bodů na palec) – rozlišovací schopnost tiskárny. Udává množství bodů, které je tiskárna schopna naskládat vedle sebe na šířku palce 2,54 cm). Čím je hodnota dpi větší, tím je tisk hladší. Společnost HP právě nesází na zvětšování dpi, ale jde spíše cestou technologie PhotoRet. 2.1.3. Termotiskové tiskárny Černobílé tepelné tiskárny používají speciální papír, který působením tepla zčerná. Tisková hlava obsahuje jehličky, které se zahřívají. Úderem zahřáté jehličky papír v daném bodě zčerná. Podobný princip se používal u faxů. K barevnému tepelnému tisku se využívá speciálních vosků, který je nanesen na třech nebo čtyřech fóliích. Fólie se spolu s papírem protahují kolem tiskové hlavy a působením tepla se vosk přenese na papír. Tento postup se opakuje třikrát (CMY) resp. čtyřikrát (CMYK). Barvy se nanášejí buď systémem dithering - modifikací rastru, někdy též nazývaném half-toning (polotónování) nebo sublimací barev. Barevné tepelné tiskárny mají velmi vysokou kvalitu tisku a dobrou spolehlivost. K nevýhodám patří vyšší cena a náklady na tisk, nutnost speciálního papíru a nižší rychlost tisku. 2.1.4. Laserové tiskárny Patří mezi nejkvalitnější tiskárny. Princip tisku je následující: laserový paprsek v místě dopadu na fotocitlivý nejčastěji selenový válec změní elektrický náboj, takže zde může ulpět částečka toneru. Toner je tvořen jemnými zrnky barviva. Při dotyku fotocitlivého válce a papíru se barvivo přenese na papír a tepelně se zafixuje speciálním vyhřívaným válcem. Některé laserové tiskárny používají mezi válcem a papírem ještě přenosový pás, aby nedošlo k rychlému poškození fotocitlivé vrstvy na selenovém válci. Laserové tiskárny používají při komunikaci s počítačem systém postscript. Tiskárna načte do své paměti údaje o celé stránce najednou a pomocí příkazů postscriptu stránku upraví. Výhodou je zvýšená kvalita tisku. Tiskárna však potřebuje větší vnitřní paměť a raději i
- 11 vlastní procesor. Pro stránku A4 při rozlišení 300 dpi potřebná kapacita paměti nejméně 1 MB, při rozlišení 600 dpi již 4 MB. Kromě postscriptu používají některé tiskárny i PCL (Hewlett-Packard). Některé tiskárny se označují jako GDI (Graphical Device Interface), kde chybí vlastní procesor a pracovní paměť tiskárny. Toto řešení je sice levnější, ale požaduje dostatečný výkon počítače. Mezi výhody laserových tiskáren patří především vysoká kvalita tisku, rychlost tisku, téměř nulová hlučnost. Nevýhodou je vysoká pořizovací cena tiskárny, poměrně drahý toner a nutnost občas měnit opotřebený fofotocitlivý válec. Podobný princip činnosti jako laserové tiskárny využívají tiskárny LED, kde místo laseru s otočným zrcadlem je použita řada světelných diod, z níž každá má na starosti jeden bod na papíře. Příklad: pro tiskárnu s rozlišením 300 dpi (bodů na palec) je vytvořena řada 2400 vedle sebe uspořádaných světelných diod, při rozlišení 600 dpi je potřeba 4800 diod LED. Mezi nejznámější typy LED tiskáren patří výrobky firmy OKI.
Obr. 2.8 Tonery CMYK
Obr. 2.9 Způsoby podávání papíru
Obr. 2.10 Princip tisku laserové tiskárny
http://computer.cpress.cz Computer 10/2003 2.1.5. Plotery Souřadnicové zapisovače (plotery) se využívají hlavně při vytváření technických výkresů. Existují inkoustové, tepelné, laserové a pérové plotery a to černobílé i barevné verzi. Z hlediska uchycení papíru je můžeme rozdělit na deskové a stojanové. U deskových ploterů je papír uchycen na desce a kreslící pero se pohybuje po celém prostoru desky. Naopak u stojanových ploterů se pero pohybuje pouze do stran a kreslení v druhé ose je zajištěno pohybem papíru. Je tedy možné kreslení delších papírů. Kromě ploterů, které rýsují obraz, existují i tzv. řezací plotery, které podle vyřezávají daný obraz do připraveného materiálu.
- 12 -
Obr. 2.11 Plotter při tisku
http://computer.cpress.cz Computer 10/2003 2.2. Zobrazovací jednotka - CRT (Cathode Ray Tube) monitor Monitor zobrazuje prostřednictvím grafické karty stav počítače. CRT (Cathode Ray Tube) monitory patří mezi základní výstupní zařízení u osobních počítačů.
Obr. 2.12 Průřez obrazovkou CRT
Princip funkce obrazovky monitorů je stejný jako u televizorů. Luminofory 3 barev vyzařují po předchozím dodání energie – jev luminiscence. Tyto tři luminofory tvoří zdálky jeden bod. Kombinací intenzit vyzařování jednotlivých složek dostaneme unikátní zabervení bodu od bílé po černou. Energii o správné intenzitě dodá luminoforu elektronový paprsek vystřelovaný z katodové trubice CRT. Každá barva má svůj vlastní paprsek a v daném okamžiku je obsloužena jedna trojice luminoforů, proto musí být paprsek vychylován, aby rozzářil všechny body na obrazovce (luminofory pouze bliknou a zase rychle pohasnou proto se musí tato procedura opakovat dokola neustále). To zajistí vychylovací cívky. Body jsou podle stínící masky na vrcholech trojúhelníka (delta systém) nebo vedle sebe (Trinitron). Rozteč bodů (vzdálenost mezi trojicemi základních bodů) je u běžných monitorů 0,28 mm, 0,25 mm a 0,20 mm pro nejkvalitnější DTP monitory ovlivňuje ostrost obrazu a náhlé přechody. Maska monitoru přichycuje luminofory na stínítko a rozděluje je do malých buněk.
- 13 -
Obr. 2.13 Maska monitoru DELTA (Invar), In-Line (Flat Screen), TRINITRON (Sony)
Vertikální frekvence (obnovovací frekvence) udává kolikrát za sekundu se vykreslí celá obrazovka (všechny řádky). Jednotlivé obrazovkové body (pixely) se vykreslují od bodu v levém horním rohu obrazovky po řádcích postupně k pravému dolnímu bodu. Dříve se používal prokládaný režim (interhaced), kdy se nejprve vykreslily jen liché a pak sudé řádky (jako televize). Dnešní monitory pracují v režimu non-interhaced (neprokládaném). Obnovovací frekvence u monitoru by měla být minimálně 80 Hz non-interhaced. Kvalitní grafické karty a monitory umožňují pracovat s obnovovací frekvencí i přes 100 Hz, což výrazně šetří zrak a zmírňuje únavu, neboť obraz méně kmitá (ergonomie práce). Horizontální (řádková) frekvence - např. aby obrazovková obnovovací frekvence byla 75 Hz při rozlišení 1024x768 bodů, musí platit 768 řádků x 75 Hz = 57,6 KHz. K tomuto výsledku je potřeba přičíst několik procent navíc pro zpětný chod elektronového paprsku, takže výsledná řádková frekvence bude asi 60 kHz (odvození z počtu překreslení jednoho řádku). Úhlopříčka monitorů - rozměry monitorů jsou 15“ a 17“ pro běžnou kancelářskou práci. Pro profesionální grafické práce (CAD, DTP) se používají monitoru o velikostí 19“, 20“ a 21“. Jejich ceny jsou vyšší. Rozlišení se udává v počtu zobrazitelných bodů na šířku a na výšku a závisí velkou měrou na použité grafické kartě. Běžné 15“ monitory pracují většinou s rozlišením 800x600 nebo 1024x768 bodů, 17“ monitory používají typicky 1080x1024 bodů a 21“ monitory až 1600x1200 bodů. Vyšší rozlišení klade větší nároky na grafickou kartu. Konvergence udává přesnost splynutí jednotlivých složek RGB barevného bodu. Degauss provádí demagnetizaci kovové masky obrazovky. Zmagnetovaná maska odchyluje elektronové paprsky, které nedopadají na cílové luminofory přesně a obraz je pak rozmazaný. Vady geometrie obrazu - monitory mají digitální ovládání parametrů – OSD (On Screen Display), nastavení korekce jasu, kontrastu, soudkovitosti, lichoběžníkovitosti, poduškovitosti, rovnoběžníkovosti, otočení, zoom, nastavení teploty barev a pod. Monitory umožňují v případě nečinnosti systému přepnout se do šetřícího režimu, kdy odebírají jen několik procent energie základní spotřeby (standardy Energy Star, TCO 95, TCO 99). Většina dnešních monitorů splňuje přísné ustanovení o sníženém elektromagnetickém vyzařování (Low Radiation, MPR, MPR II, TCO 99). http://computer.cpress.cz Computer 03/2002 str10 http://www.volny.cz/krivka 2.3. Zobrazovací jednotka - LCD (Liquid Crystal Display) Tyto zobrazovací jednotky pracují na zcela jiném principu než klasické monitory. Principem je natáčení krystalů v elektrickém poli. Zobrazovací jednotka je tvořena maticí bodů (pixelů). Tyto displeje se používají hlavně u přenosných zařízení. Jejich výhodou jsou malé rozměry (malá tloušťka) a nízká hmotnost, nízká spotřeba (30 W), nevyzařují škodlivé záření, mají nulové zkreslení obrazu v rozích, jasně definovanou velikost bodu, menší únava očí, neblikají a neoslňují (matný povrch a dokonale plochá obrazovka). Mezi nevýhody patří složitá a drahá technologie, malý jas a kontrast, omezená úhlopříčka obrazovky - nejčastěji 10“ - 18“, menší úhel pohledu (pozorovací úhel 120° je dnes málo), citlivost na doteky, nerovnoměrné podsvětlení, nepřesnost podání barev vadí u DTP (CRT monitory mají lepší podání barev). Displeje je podsvětlen výbojkou. U aktivních TFT (Thin Film Transistor) LCD
- 14 je v každém zobrazovacím bodu jeden (monochromatický LCD) nebo tři (barevný LCD) tranzistory. Poškodí-li se při výrobě jeden z těchto tranzistorů, bod se na stínítku nebude nikdy zobrazovat.
Obr. 2.14 Chování kapalných krystalů v elektrickém poli
Obr. 2.15 Průřez displejem LCD
První polarizátor propustí na vstupu pouze část světla, polarizovaného v horizontální či vertikální rovině. Mezi dvěma orientačními filtry se nachází aktivní vrstva tekutých krystalů. Orientační filtry propouštějí světlo pouze polarizované, přičemž každý náleží přiléhajícímu polarizátoru. Molekuly tekutého krystalu jsou v klidovém stavu vzájemně pootočeny a mezní stavy jejich natočení udává právě polarizační filtr. Poslední aktivní částí je druhý polarizátor, jenž má polarizační rovinu kolmou na první polarizátor. Průchodem prvním polarizátorem se tedy získá světlo polarizované v jedné rovině. Průchodem vrstvou tekutých krystalů se jeho polarizace změní, a je tedy průchodné druhým polarizátorem – displej svítí. Změnou elektrického potenciálu (připojením napětí) se změní vnitřní struktura tekutých krystalů. Molekuly již nejsou vzájemně pootočeny, světlo prochází přímo a polarizační filtry na výstupu jej nepropustí, tj. displej nesvítí. Změna jasu se děje regulací velikosti napětí, při němž se pootočí světlo jen zčásti, takže propustí jen část světla. U černobílých displejů stačí jedna aktivní vrstva, u barevného však musíme řídit tři složky RGB, čímž se počet bodů ztrojnásobí: při rozlišení 1024 × 768 má černobílý displej 786 432 buněk, ale barevný má už téměř 2,5 milionu buněk (3 krát více). A to je hlavní důvod, proč jsou barevné displeje tak drahé. Při deseti vadných bodech dosahuje chybovost 0,0004 %. To je sice velmi malé procento, ale přesto je existence deseti malých svítících bodů na tmavém pozadí nepříjemná. Proto když uvážíme, kolik milionů tranzistorů má dnešní procesor nebo grafický čip, kde se při složité a zdlouhavé výrobě netoleruje žádný vadný tranzistor“, je s podivem, že si firmy produkující LCD displeje dovolí prodávat zboží nižší jakosti. Pasivní barevné displeje jsou konstruovány tak, aby byly co nejlevnější. Zlevnění se dosahuje tak, že jedním tranzistorem je řízen celý sloupec nebo řádek bodů, přičemž tranzistor musí odbavit každý bod v řádku nebo sloupci zvlášť. Tato rychlost může být relativně velká a
- 15 při časté změně obrazu (např. u her nebo videa) si pak lze pozorovar tzv. táhnutí neboli zpoždění obrazu (obrazovka se nestačí překreslit). Nejrozšířenějším konstrukčním typem těchto displejů je DSTN. Dokonalejšími typy jsou aktivní displeje, u nichž je každý bod řízen vlastním tranzistorem, což se projevuje ve složitější elektronice, ale výhodou je rychlá reakce na změny obrazu. Tyto displeje jsou již srovnatelné s těmi nejlepšími monitory. Nejběžnějším typem těchto LCD je TFT. Někdy se označují jako aktivní matice, protože každá barva každý bod mají svůj řídicí tranzistor (napařený na destičky filtrů). To se pozitivně projevuje rychlosti (odezvě), která pro celou obrazovku klesne i pod 25 ms, kontrast se pohybuje nad 300:1, jas lze běžně nastavit v úrovni do 300 cd/m2.
Obr. 2.16 Plazmový displej PDP
Další, převážně ve spotřební elektronice často používaný typ, je plazmový displej (PDP –Plasma Display Panel). V principu se jedná o dvě mřížky z elektrod, mezi nimiž je jako dielektrikum použit oxid manganový a celá deska je umístěna v inertním plynu (argon, neon nebo xenon). Nevýhodou je použití vysokého napětí na elektrodách a relativní tloušťka displeje vzhledem k nutnosti uložení v ochranném plynu. V místě obrazového bodu vzniká plazma, která způsobuje obrazový vjem, ale rovněž velice zahřívá celý displej, takže se většinou musí aktivně chladit. V současné době se jako nejperspektivnější se jeví polymerové displeje (OLED – Organic Light-Emitting Diode) od špičky ve vývoji LCD – Toshiby.
Obr. 2.17 Displej OLED Parametry součastných LCD panelů (r.v. 2004) • Technologie displeje: Aktivní matice LCD (TFT) • Úhlopříčka displeje: 18.1” - 46cm (dobré mají i 170°) • Pracovní úhly: 140o(H)/140o(V) • Nativní rozlišení: 1280 x 1024 bodů (SXGA) • Barvy: podpora 16.7 milionů barev (true color) • Velikost bodu: 0.2805(H) x 0.2085 (V) • Vstup: analogový D-sub RGB, 0.7V p-p odezva na změnu obrazu 25 ms (horší LCD mají 40 ms) • Jas: 200 cd/m2 ; • Kontrastní poměr: 300:1 (600:1 je výborné) • Napájení: externí adaptér AC/DC 240V/12V • Zabudované repro: 3W x 2 stereo • Konektory: DC napájení 12V, analogový vstup D-sub 15 pinový, audio vstup a výstup • Napájení: 12V stejnosměrných a 5A • Příkon: 40W, power save mód 5W • Váha: 8 kg • Rozměry: 44.3 cm (šířka) x 41.2 cm (výška) x 5.5 cm (tloušťka)
http://computer.cpress.cz Computer 03/2002, 05/2003 str. 12, 07/2003 Aradio – konstrukční elektronika (modré) 6/2002
- 16 -
Obr. 2.18 Porovnání technologií displejů
2.4. Dataprojektory Data/videoprojektor je určen pro promítání počítačových dat (vlastně všeho, co je na obrazovce, tedy text, obrázky, tabulky, animace) nebo signálu z videopřehrávačů. Použití je velice široké. Prezentace mobilní i stálé, učebny, stálé instalace (např. v řídících centrech), nebo domácí kino pro náročné diváky. Technologie LCD U LCD projektorů rozlišujeme použití jednoho amorfního TFT (thin film tranzistor) zobrazovače anebo tří polysilikonových zobrazovačů. Přístroje s jedním panelem jsou v současné době nejlevnější. Princip je jednoduchý, data se zobrazují na LCD displeji, na jehož povrchu jsou integrovány tranzistory pro tři základní barvy, červenou, zelenou a modrou. Zobrazení je to obdobné jako na televizní obrazovce, naše oko si tři barevné body spojí a vnímá skutečnou barvu. Na displej dopadá přes optickou soustavu silný zdroj světla. Po průchodu panelem je obraz přes objektiv promítnut na projekční plochu. Poměrně výrazné ztráty světelného toku vznikají při průstupu světla mimo aktivní plochy vlastních LCD segmentů. Použití tří displejů zvyšuje světelný výkon i cenu. Optická soustava musí nejprve bílé světlo rozložit do tří barevných složek - červené, zelené a modré. Jednotlivé barvy jsou posléze zpracovány na miniaturních LCD projekčních panelech. Všechny tři složky obrazu se dále na soustavě optických, spektrálně propustných hranolů složí a pomoci projekčního objektivu zobrazí na projekční ploše. Výhodou je vyšší průchodnost světla displejem (každý panel obsahuje segmenty jen pro zpracování jedné barvy) a nižší tepelná zátěž na jeden zobrazovač. Nevýhodou je možnost výskytu problémů s konvergencí obrazu, t.j. nepřesným složením jednotlivých barevných složek. Správné konvergence se dosahuje laděním uložení LCD jednotek. Velikost polysilikonových zobrazovačů (p - Si) je dnes asi kolem 2 cm v úhlopříčce a stále se zmenšuje (0,9" ; 1,3" nebo 1,8") a ovlivňuje celkovou velikost projektoru. Vyrábí je pouze několik firem na celém světě, takže zobrazovací vlastnosti všech projektorů jsou obdobné. Obvyklé rozlišení těchto projektorů je SVGA a XGA, u některých i SXGA. • • • •
velmi vyspělá a propracovaná technologie nejširší výběr (největší výrobci SONY, EPSON) mezi obrazovými body zůstává viditelná mřížka (daná technologií výroby) - výrobci to řeší fintou nepatrně rozostří obraz a mřížka mizí a obraz je stále ostrý vysoký světelný tok (nad 3000 Lm a více) kontrastní poměr 400:1 až 700:1
Technologie DLP DLP (Digital Light Processing) je reflexní technologie. Dosavadní „transmisní" technologie (LCD) využívaly součástek, které ovlivňovaly procházející světlo a byly tak
- 17 omezeny velikostí propustné plochy jednotlivých pixelů. DLP technologie tato omezení překonaly, navíc jsou schopny odrážet světlo na více než 90% plochy jednotlivých obrazových bodů, a tím potlačují bodovou strukturu charakteristickou pro LCD projektory. DLP projektory jsou vyráběny ve dvou variantách - s jedním nebo třemi DMD čipy (Digital Micromirror Device - patent od výrobce Texas Instruments). Jednočipové DLP projektory využívají rotujícího barevného filtru , aby postupně vytvořily na projekční ploše obraz ze všech tři barevných složek (R, G, B). Tříčipové projektory, obdobně jako modely se třemi LCD displeji, nejprve rozkládají bílé světlo a obraz je pro jednotlivé barevné složky tvořen na samostatných DMD čipech. Potom se opět obraz skládá v soustavě optických hranolů. Přístroje disponují značným optickým výkonem, zvýšena je životnost i spolehlivost, ale vyznačují se většími rozměry i hmotností a také cenou. Mezi „jednočipovými" projektory nalezneme dnes vůbec nejmenší a nejlehčí datové projektory na trhu. „Tříčipové" DLP projektory jsou dnes vrcholem projekční techniky. Jedná se o poměrně rozměrné projektory se svítivostí i více než 10 000 ANSI Lm, které nacházejí uplatnění v kinosálech. Princip projekce spočívá ve speciálním čipu DMD, Digital Micromirror Device, který funguje jako soustava několika set tisíc mikroskopických zrcadel (TI vyrábí tři druhy čipů: SVGA s cca 500 tisíci, XGA s 790 tisíci a SXGA s 1 310 tisíci mikroskopických zrcadel), kde každé ze zrcátek dokáže provést za 1 sekundu až 50.000 vychylovacích pohybů. Samotný jeden čip DMD vytváří tak monochromatický obraz, kde každé mikroskopické zrcátko vytváří jeden obrazový bod. Nehýbá-li se zrcátko, odráží světlo z výbojky přímo do projekčního objektivu a zobrazuje bod barvy bílé. Postupným velmi rychlým naklápěním posílá do objektivu méně světla a více jej odráží do absorpční plochy vedle objektivu (kde se světlo odvádí chladící mřížkou v podobě tepla), čímž bod zvyšuje stupeň šedi, až zrcátko zcela odchyluje paprsek světla do absorpční plochy, tudíž obrazový bod zobrazuje zcela barvu černou. Tak získáme obraz monochromatický, černobílý… Abychom ale získali obraz barevný, musíme za pomoci DMD čipu zpracovat zvlášť informaci pro každou barevnou složku. DLP projektor s jedním čipem DMD, obsahuje před zdrojem světla rotující barevný filtr, který je synchronizován elektronikou se zobrazováním monochromatického obrazu na DMD. Tak se díky řídícímu členu projektoru promítá ve velmi rychlém sledu obraz (barevný filtr se otočí 120x za sekundu) všech tří barevných složek (v některých případech i bílá). Díky nedokonalosti lidského oka si člověk obraz v mozku spojí dohromady a vnímá jej, jako kdyby byl promítán barevně. Určitou nevýhodou je u této kategorie nepatrné blikání (dané rotujícím filtrem). •
vysoký kontrast - hladký a kontrastní obraz (vhodně pro oblast domácí kino – černá je opravdu černá) 600:1 až 1200:1
• • •
1 x DMD : na velikost jednoznačně nejmenší projektory ze všech technologií světelný tok (na hranici do 2000 Lm při stejném výkonu lampy jako LCD) mezi obrazovými body nezůstavají tmavé mezery
Technologie CRT Základem CRT projektorů jsou 3 projekční obrazovky principiálně podobné těm, které jsou vestavěny v běžných televizních přijímačích. Každá z těchto obrazovek promítá v jedné ze základních barev (červené, modré a zelené) a výsledný obraz je potom složen na projekční ploše. CRT projektory jsou nejdéle
- 18 používanými přístroji pro velkoplošné zobrazování. Mezi jejich tradiční výhody patří vysoká spolehlivost a možnost dlouhodobého nebo trvalého provozu. Nicméně pro nasazení ve většině běžných aplikací již byly překonány jinými technologiemi (LCD, DLP) a dnes nachází místo především ve speciálních aplikacích. Setkáme se s nimi tedy v dispečincích, kde oceňují jejich vysoké rozlišení a možnost dlouhodobého provozu, či v trenažérech, kde je potřeba zobrazovat na válcovou nebo kulovitou projekční plochu a navazovat obrazy ze dvou a více sousedních projektorů. Oblíbené jsou - mj.pro vysokou kvalitu reprodukce barev a schopnost pracovat i v prašném prostředí - také v zábavním průmyslu (videokluby, diskotéky, domácí kina atd.) • • • •
nejvyšší rozlišení nejvyšší kontrast maximální spolehlivost určeny pro speciální aplikace
Lumen je jednotka světelného toku vyzářeného objektivem. ANSI lumen je průměrný výkon měřený na plátně v devíti bodech. Objektiv projektoru je totiž kruhový a my chceme rovnoměrný obdélníkový obraz. Při toku 500 lumenů (lm) je nutné úplné zatemnění, při 800 lm je možné slabé okolní světlo. Současný standard je 1 000 ANSI lm. Kontrast se udává poměrem mezi nejčernější černou a nejsvětlejší bílou, např. 500:1. To znamená, že maximální bílá bude svítit pětsetkrát více, než minimální černá. Je jasné, že čím vyšší kontrast, tím lepší – pokud budete mít projektor např. 1200:1 a 600:1, projektor s vyšším kontrastem lépe prokreslí detaily v tmavých scénách. Příklad: u projektoru s nižším kontrastem uvidíte scénu zcela černou, u projektoru s vyšším kontrastem uvidíte detaily. např. běžícího muže ve stínu. Jako zdroj světla se používá metalhalogenidová výbojka o výkonu 100 až 500 W. Výhodou je vysoká životnost v řádu stovek provozních hodin (běžně 2000), ty nejlepší až 10000 hodin, nevýhodou je pokles svítivosti v průběhu provozních hodin a vyšší cena. Rozlišení projektoru by mělo odpovídat nejčastěji používanému rozlišení počítače. • VGA (640×480 bodů) - na ústupu, • SVGA (800×600 bodů) – vhodné na domácí kino DLP 3 metry od plátna • XGA (1024×768 bodů) - vhodné na domácí kino LCD 3 metry od plátna • SXGA 1280×1024 bodů) Hmotnost je pro časté přenášení důležitým parametrem (do 5 kg).
Obr. 2.19 Dataprojektor
http://www.dlp.com http://www.projectorcentral.com http://www.appt.cz/slovnik/info/projektory.htm http://new.zive.cz/h/Domacikino/AR.asp?ARI=113272&CAI=2150 http://computer.cpress.cz Computer 10/2002 http://www.digitalniprojektory.cz/poradce.jsp
- 19 http://www.mediatronic.cz/techinfo.php http://www.epson.cz/about/technologies/index.htm
3.
Ostatní periferie
3.1. Modem, faxmodem Název modem vychází ze zkratky slov modulátor - demodulátor, což přesně odpovídá činnosti modemů. Modem je zařízení, které umožňuje počítači komunikovat se vzdáleným počítačem pomocí např. telefonní linky. Data jsou do modemu přivedena ve formě digitální a přenos mezi dvěma modemy se děje ve formě analogové (56kb/s) nebo digitální (ISDN,ADSL,xDSL). Linky, které data přenášejí mohou být: • komutované - jedná se o všeobecně dostupné telefonní sítě • pronajaté - jsou určené výhradně pro určité uživatele Modemy můžeme rozdělit na: • externí - modem má vlastní zdroj, někdy i paměť, diody pro kontrolu činnosti modemu. Nejčastěji bývají připojeny ke COM portu. • interní - ve formě přídavné karty. Jsou o něco levnější, nemají kontrolní diody, vlastní napájecí zdroj a jsou plně závislé na činnosti počítače • PCMCIA (PC Card) - pro svou vysokou cenu se využívají jen u přenosných počítačů
Obr. 3.1 Karta modemu PCMCIA
Obr. 3.2 Karta interního modemu
Obr. 3.3 Komunikace prostřednictvím analogové technologie 56kb/s
- 20 3.1.1. ADSL Pro komunikaci pomocí technologie ADSL je třeba splnit podmínky podle následujího obrázku. Je třeba modem ADSL na straně zákazníka a ADSL koncentrátor na straně ústředny. ADSL zajistí součastný přenos dat i hlasového hovoru. Pro přenos dat se používají stávající metalické kabely (stávající telefonické linky). Přenos dat a hlasu jsou vzájemně nezávislé. Přenos je asymetrický tzn. v příchozím směru až 9 Mb/s (download) a v odchozím směru maximálně 640 kb/s (upload). Použití jako náhrada ISDN v připojení na Internet. Uvažuje se o VDSL s rychlostí až 50 Mb/s.
Obr. 3.4 Schéma zapojení digitální sítě ADSL
3.2. Síťová karta Síťová karta je rozhraním mezi PC a sítí, její vlastnosti tedy musí korespondovat s vlastnostmi PC na jedné straně a parametry určité sítě na straně druhé. Parametry síťových karet [2]: • Typ sběrnice základní desky ISA, PCI, popř. integrovaná • Ovladač karty s podporou používaného OS • Wake-on, probudí PC pomocí povelu přes síť, zdroj ATX nevypíná počítač • Typ kabeláže a konektory (BNC, RJ-45, popř Combo) • Případný duplexní provoz (full duplex) – schopnost součastného vysílání a přijímání v obou směrech • Případný simlexní provoz (half duplex) – schopnost přenosu dat mezi vysílací a přijímací stranou v daném čase pouze v jednom směru • Případné vzdálené bootování • Rychlé karty 100 Mb/s pracují pouze v PCI slotu 3.3. Zvuková karta Toto zařízení umožňuje pracovat se zvuky na PC. Zajišťuje tři základní úkoly: převádí analogové zvukové signály (např. z mikrofonu) a digitální (např. z CD) mezi sebou. Vyrábí různé zvuky a tvoří rozhraní mezi počítačem a jednotkou CD-ROM. Dříve se používaly hlavně 16 bitové, dnes i 128 bitové zvukové karty kompatibilní se standardem Sound Blaster. Levnější karty využívají tzv. FM syntézu, kde zvuky se vytvářejí se základního vzorku a tudíž kvalita zvuků není příliš vysoká. Karty pro kvalitnější práci se označují jako WAVE Table, kde v paměti je řada nahraných zvuků.
- 21 Vzorkovací frekvence – analogově zaznamenaný zvuk se přepočítá na určité množství číselných údajů. Čím je jich více, tím je převod na digitální formu kvalitnější. Pro kvalitní zvuk by měla být vzorkovací frekvence co největší. Nejlépe alespoň 44,1 kHz, což je hodnota používaná u CD. Kvalitní zvukový záznam však zabírá hodně místa na disku. Příklad: Mono zvuk, 8 bitů, 44,1 kHz potřebuje pro zaznamenání 1 minuty až 2,5 MB diskového prostoru. Stereo zvuk, 16 bitů, 44,1 kHz potřebuje pro záznam 1 minuty již 10,5 MB diskového prostoru. Na zadním panelu zvukové karty najdeme nejčastěji tyto konektory: FD15 pro MIDI zařízení nebo joystick, kulaté konektory (Jack) pro sluchátka nebo reproduktory, pro mikrofon a Line-in konektor pro ostatní audio zařízení (např. magnetofon). • • • • • • • • • • • • • • • • •
3.4. Typické i exotické odrůdy rozšiřujících karet Grafická karta Zvuková karta Síťová karta Vstupně/výstupní karta (I/O karta) Diskový řadič ATA 66/100, ATA 133 (připojení dalších disků) Řadič SCSI Řadič USB Interní faxmodemová karta (modem 56kb/s, modem ADSL) Karta pro příjem rádiových signálů Televizní karta Videostřižna Karta pro bezdrátovou síť Wi-Fi Přídavná 3D karta (jako Voodoo) Bezpečnostní karta (Hw klíč) - ochrana produktů typu AutoCad Post karta Karta pro připojení měřících přístrojů (osciloskop, čítač) Karty převodníků elektrických a neelektrických veličin ()
Mechanizmus přerušení - kromě aktuálně běžícího programu musí mikroprocesor reagovat na podněty jiných zařízení nebo programů. Například reakce na stisk klávesy, informace o tisku a podobně. Toho se dá docílit dvěma způsoby: a) Procesor v pravidelných časových intervalech prochází všechna zařízení a kontroluje, zda pro něj nemají nějaký signál, který by zpracoval. Tento mechanizmus je samozřejmě nevhodný pro svou časovou náročnost a mnohdy zcela zbytečné operace. b) Je vytvořen systém přerušení IRQ. To znamená, že každá operace, která potřebuje provést zastavení aktuálního procesu, má své číslo přerušení. V operační paměti je tabulka vektorů přerušení, který ukazuje na adresu v paměti, kde je uložen obslužný program požadovaného přerušení. Tento systém využívají téměř všechny mikroprocesory. Procesor tedy komunikuje s okolím třemi základními způsoby: pomocí sběrnic, přerušením (IRQ) a přes kanály přímého přístupu do paměti (DMA - Direct Memory Access). Přerušení probíhá na následujícím principu: 1. Zařízení, které potřebuje obsluhu vyvolá přerušení. To může být hardwarové nebo softwarové. Procesor dokončí probíhající instrukci a uloží si dosažené hodnoty a číslo následující instrukce do paměti. 2. Vektor přerušení spustí na příslušné adrese v paměti program pro obsluhu přerušení. Pro zpracování přerušení je určen speciální obvod - interrupt controler (řadič přerušení).
- 22 3. Po obsluze zařízení, které vyvolalo přerušení, se z paměti se vezmou dočasné hodnoty a následující instrukce přerušeného programu a pokračuje se v jeho provádění.
Obr. 3.5 Přehled používaných IRQ v počítači
Linky, kterými proudí signály přerušení jsou součásti sběrnice a označují se IRQ0, IRQ1,... Jednu linku IRQ může používat pouze jedna periferie. Seznam používaných IRQ u sběrnice ISA: IRQ 0 - přerušení systémových hodin, IRQ 1 - přerušení od klávesnice, IRQ 2 přerušení druhého řadiče přerušení, kaskádní propojení, IRQ 3 - Přerušení od COM 2, IRQ 4 přerušení od COM 1, IRQ 5 - obvykle přerušení od portu LPT 2, síťové karty, modemu, IRQ 6 - přerušení od disketové jednotky, IRQ 7 - přerušení od portu LPT 1, zvuková karta, IRQ 8 reálné hodiny a kalendář, IRQ 9 - grafická karty, IRQ 10 - zvuková karta, IRQ 11 - SCSI řadič, IRQ 13 - matematický koprocesor, IRQ 14 - pevný disk. Jako volné přerušovací kanály jsou obvykle IRQ 5, IRQ 10, IRQ 11, IRQ 12 a IRQ 15. ISA slot dnešní desky neobsahují, nýbrž jen čtyři až šest slotů PCI. Pro rozlišení přerušení jednotlivých desek, se přerušení od ISA karet označují IRQ a od karet PCI jako INT (INTA, INTB, INTC, INTD). Modernější základní desky umožňují přiřadit všem PCI slotům pouze jedno INT (INTA), které je obsluhováno různými IRQ (IRQ10, IRQ11 a IRQ15) hladinové spouštění. 3.5. Grafická karta Většina grafických karet obsahuje tyto základní části: - grafický procesor (čip), který zpracovává instrukce od procesoru a provádí vlastní výpočty pro ulehčení práce CPU. Dále zajišťuje předání zpracovaných dat převodníku, který je pak posílá monitoru. Většinou se dnes jedná o 64 nebo 128 bitový čip.
- 23 - digitalně-anologový převodník DAC (Digital Analog Converter) - pro převod digitálního signálu na analogový a naopak. Je prostředkem mezi digitálně pracující grafickou kartou a analogově řízeným monitorem. - paměť - do této paměti se ukládají veškeré informace o zobrazovacích bodech. Paměťové čipy umožňují tedy současný zápis dat procesorem a manipulaci s daty od grafického procesoru (lze najednou číst i zapisovat). U levných a starších karet se kapacita paměti pohybuje do 2 MB, u novějších karet do 64 MB. Na velikostí paměti závisí rozlišení a barevná hloubka, která bude monitorem zobrazována (1 MB - 1024x768 bodů při 256 barvách, 2 MB - 800x600 při 16,7 milionů barev, 4 MB - 1280x1024 bodů při 16,7 miliónech barev). Dnes jsou grafické karty připojovány ke sběrnicím přes sloty AGP, dříve PCI. Rozhraním pro monitor je 15 kolíkový konektor (VGA) nebo DVI-I a S-Video pro připojení TV.
Obr. 3.6 Grafická karta
AGP (Accelerated Graphics Port). AGP slouží pouze k připojení grafické karty. Umožňuje přímé spojení mezi CPU a systémovou paměti, dále mezi CPU a grafickým akcelerátorem. AGP 1x má přenosovou rychlost 266 MB/s, AGP 2x disponuje propustností až 532 MB/s a varianta AGP 4x až 1 GB/s. Grafická karta se dříve připojovala přes slot sběrnice PCI. Ta je ovšem zatěžovaná dalšími vstupně-výstupními zařízeními, což zapříčiňuje časté zahlcení sběrnice.
Obr. 3.7 Typy písma
- 24 3.6. Rozhraní a sběrnice Rozhraní je propojovací systém, který realizuje přechod mezi prostředími. Je realizováno hardwarově i softwarově. Může být vnější a vnitřní. Z hlediska přenosu bitů můžeme rozhraní rozdělit na sériové a paralelní.
Obr. 3.8 Typy používaných konektorů pro připojení vnějších periférií
3.6.1. Sériové rozhraní Sériové porty se označují COM1, COM2 (Komunikační port). U sériové komunikace se bity přenášejí jednotlivě, postupně jeden za druhým. Přenosová rychlost dat je 115 kb/s. K bloku informačních bitů je nutno přidat start a stop bity. Výhoda sériového rozhraní spočívá v možnosti zabezpečení informací, nutnosti menšího počtu vodičů. Odolává rušení v průmyslu a lze přenášet data na vzdálenosti desítky metrů. Norma RS232C, RS232 (25 kolíků, 12 V), RS422 (6 V). Provoz sériového rozhraní je řízen obvody UART (Universal Asynchronous Receiver Transceiver). 3.6.2. Paralelní rozhraní Paralelní port se označuje LPT. V jednom okamžiku se přenáší více bitů najednou, je proto asi 10 krát rychlejší než sériové rozhraní. Rozhraní je tvořeno 25 piny. Používají se pro připojení tiskáren, hardwarových klíčů atd. 3.6.3. USB
Obr. 3.9 Zařízení USB
USB (Universal Serial Bus) je navrženo jako univerzální sběrnice a má nahradit sériové a paralelní porty. Sběrnice slouží k připojení periferií jako jsou myš, klávesnice, monitor, modem, externí záznamové jednotky, tiskárny, skener a podobně. Zařízení, které se k USB připojují, pracují Plug & Play a nevyžadují žádné IRQ. Zařízení USB mohou přenášet data rychlostí 12 Mb/s (USB1.1) a 470 Mb/s (USB2.0). Lze připojit na jednu sběrnici až 127 zařízení. Zařízení lze připojovat za chodu, maximální délka kabelu mezi dvěma zařízeními 5 m. Topologie USB je vystavěna relativně jednoduše. V počítači je rozhraní, které přebírá úlohu hostitele. Odtud proudí data do monitoru nebo klávesnice, které fungují jako
- 25 rozbočovače a poskytují možnost připojení ostatních koncových zařízení. USB řídí výhradně hostitel. Kabely pro USB jsou na bázi kroucené dvoulinky a mají čtyři vodiče - dva signální (3,3 V) a dva napájecí (5 V) pro zařízení typu klávesnice či myš. Kabely mezi zařízeními nesmí být delší než 5 m. Každý rozbočovač je současně opakovačem, který zesiluje signály posílané po sběrnici. Aby USB fungovala, jsou třeba tři složky: počítač vybavený obvody USB, periferie s těmito obvody a software ovladače, který umožňuje s těmito zařízeními komunikovat. http://www.usb.org 3.6.4. SCSI V současné době existují tři standardy tohoto univerzálního rozhraní. SCSI 1 - definované jako 8 bitové rozhraní ISA, s přenosovou rychlostí 5 MB/s. SCSI 2 (varianta Fast SCSI) - nová sada příkazů, přenosová rychlost 10 MB/s, sběrnice PCI, šířka přenášených dat může být 8, 16 či 32 bitů (Wide, Wide-16, Wide-32). Z toho vyplývá, že přenosová rychlost může být 10, 20 nebo 40 MB/s. SCSI 3 - 20 MB/s, sběrnice VLBus a PCI, je zaveden tzv. vrstvový model rozhraní, který zjednodušuje tvorbu softwaru. Součástí SCSI 3 je definice sériového i paralelního rozhraní. Přenosová rychlost podle šířky rozhraní stoupne na 20 (8 b), 40 (16 b) a 80 MB/s (pro 32 bitů) - pro tyto řadiče se používá označení Ultra. Přenos po 32 bitech současně vyžaduje speciální konektor, který se však zatím příliš nerozšířil. Označení šířky: normal – 8 bitů, Wide - 16 nebo 32 bitů. Při 8 bitovém přenosu se používá konektor s 50 vodiči, při 16 bitovém přenosu je potřeba konektor s 68 vodiči. K rozhraní je možno připojit až 8 (respektive 7, jedno zařízení musí být řadič rozhraní) zařízení při přenosu 8 bitů nebo 16 zařízení při 16 bitové šířce přenosu. Mezi výhody rozhraní patří vysoká přenosová rychlost, možnost zapojit více zařízení bez omezení rychlosti. K nevýhodám patří vyšší cena (i periferií), množství typů, komplikovanější konfigurace.
Obr. 3.10 Zařízení SCSI připojená do sběrnice
3.6.5. Fire-Wire Toto rozhraní se ještě označuje IEEE 1394 nebo v audiovizuální technice se někdy používá i.Link. Jedná se o univerzální rozhraní, které je využíváno nejen v počítačích, ale i spotřební elektronice. Je navrženo tak, aby umožňovalo komunikaci mezi více zařízeními a aby mohlo přenášet libovolné množství signálů najednou. Je proto možné spolu navzájem propojit například PC, skener, CD přehrávač, televizor DVD přehrávač, video kameru atd. Do sítě FireWire lze připojit 63 zařízení pomocí rozbočovače (stromová struktura jako USB). Kromě dat se přenáší i napájení, což umožňuje u jednoduchých zařízení odstranění vlastních síťových zdrojů. Mezi další výhody tohoto standardu patří možnost připojovat zařízení do sítě
- 26 za chodu, není nutné pracující přístroje vypínat před přidáním dalšího zařízení. Součastná přenosová rychlost 400 Mb/s (50MB/s), do budoucna 3200 Mb/s (IEE1394 b). Nevýhodou je, že není standardem základních desek. 3.6.6. PCMCIA PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association) jedná se asociaci výrobců hardware, která zajišťuje standardizaci výrobků nazývaných PC Card. PC Card je přídavná karta velikosti 85,6 x 54 mm. Třetí rozměr je závislý na typu karty: release 1 (někdy PCMCIA I) má tloušťku 3,3 mm, release 2 (PCMCIA II) má 5 mm a release 3 (PCMCIA III) má tloušťku 10,5 mm. Nejtenčí karty typu 1 se nejčastěji používají jako paměťové karty, karty o tloušťce 5 mm jsou určeny například pro modemy a síťové karty, poslední typ se používá pro kombinované komunikační karty nebo pevné a výměnné disky. K výhodám patří PC Card patří malé rozměry, softwarová konfigurace, malé energetické nároky. Naopak nevýhodou jsou vyšší ceny než u běžných zařízení, proto zatím nacházejí uplatnění hlavně v oblasti přenosných počítačů - noteooky. 3.6.7. Sběrnice počítače Sběrnice je soustava vodičů zakončenou rozšiřujícími konektory (sloty), do nichž je možné vkládat rozšiřující karty. Karty musí splnit dvě podmínky: jít zasunout do rozšiřujícího slotu (mechanické rozměry, počet a tvar elektrických kontaktů) a nést informaci samy o sobě (řekne PC s jakým typem karty spolupracuje) AT bus (ISA sběrnice) 1984, - šířka sběrnice 16 bitů / frekvence 8 Mhz - zachováno 62 linek z PC bus a k tomu přidaná část k rozšíření na 16 b - staré řešení, karta ve slotu (jakákoli) brzdí výkon procesoru - 16 bitové sloty
Obr. 3.11 Sběrnice ISA
PCI ( Peripheral Component Interconect),1992, dnešní standart pro připojení jakékoliv karty pro PC - šířka sběrnice 32 bitů / frekvence 33 MHz (verze 1.0) - výkon až 130 MB/s, 6 periférií - mezi CPU a periferiemi tvoří další vrstvu - je procesorově nezávislá, možnost připojení různých typů procesorů - nezatěžuje procesor - možnost automatické konfigurace periferií PnP - snížení el. nároků - možnost připojení šesti periferií - zpětná kompatibilita - nejvíce rozšířena sběrnice u nových PC - slot má na dvou stranách po 62 kontaktech
- 27 -
Obr. 3.12 Sběrnice PCI
4.
Paměti v počítači
Paměti – dělení podle umístění a parametrů - vnitřní 1. typ ROM - paměti s možností jen číst -ROM obsah je zapsán výrobcem při výrobě a dále je neměnný, změna programu znamená vyměnit paměťový obvod -PROM (Programmable ROM) uživatel si sám naprogramuje programovacím zařízením obsah paměti nevratně (jen jednou) -EPROM (Erasable PROM) obsah lze do paměti zapsat elektrickým impulsem pomocí programovacího zařízení a vymazat UV zářením. Mazání trvá několik minut až půl hodiny. Obecně lze provést několik tisíc opakovaných zápisů na čip. -EEPROM (E2PROM) (Electrically Erasable PROM) informace se do paměti zapisuje elektrickým a jiným impulsem se dá vymazat. Mazání dat probíhá řádově v ms až s, zápis v ms. Umožňují řádově statisíce opakovaných zápisů na čip. Maximální doba uchování informací je asi 10 až 20 let. 2. typ RWM RAM (read write memory random acess memory) paměti s možností čtení i zápisu s libovolným přístupem (operační paměť) -dynamické DRAM Princip je založen na využití kapacity paměťového kondenzátoru každé paměťové buňky. Vzhledem ke svodům na kondenzátoru je nutné často obnovovat jejich náboj (refresh). V této době paměť není pro mikroprocesor přístupná. Přístupová doba 90ns. Slouří jako op. paměť -statické SRAM Nemají omezení v přístupu jako dynamické, jsou velmi rychlé, použití jako CACHE paměti (rychlé vyrovnávací paměti – mezičlánek mezi rychlýma pomalým zařízením) v procesoru L1, L2 Cache, HDD Cache –vnější - připojují se k počítači přes obvody I/O (Input/Output) vstup/výstup 1. magnetické –diskové – disketa FDD (1,44MB, nezastupitelné bootovací medium, kapacita dnes nedostačuje, vadí prach, popis funkce činnosti nakreslit) – pevný disk HDD 40-80-180GB, příst. doba 8-25ms (popis nakreslit plotničky, hlavy, sektory, magnetický princip záznamu) –páskové – streamer kapacita 40GB, výměnná kazeta, záloha dat 2. optické (odolnost proti cizím magnet.polím) –RWM CD-RW, DVD-RW, DVD+RW, přepisovatelné média, kapacita 650MB, 4GB –ROM CDROM, DVDROM, jen jeden záznam, nevratné – záloha dat a jejich obnova 3. polovodičové RAM externě mimo zákl. desku (na grafické kartě) 4. flashpaměti (USB flashdisk, výměnné SMART média ve fotoaparátech a pod.)
- 28 -
Rozdělení pamětí Registry rychlost
Cache paměti
kapacita
Operační paměť vnější paměti (HDD, CD-ROM,...) Obr. 4.1 Rozdělení pamětí (pyramida rychlosti a kapacity)
Základní parametry pamětí Velikost-kapacita, přístupová doba, rychlost čtení/zápisu, možnosti opětovného záznamu, dlouhodobost-skladovatelnost dat, uchování dat po vypnutí napájecího napětí. Paměťové integrované obvody mají: - adresové vstupy - datové vstupy a výstupy - řídící vstupy - napájecí vstupy 1B=8b 1 kB = 1024 B = 210 B 1 MB = 1024 kB = 1 048 576 B 1 GB = 1024 MB = 1 073 741 824 B
Obr. 4.2 Paměť RAM – modul SDRAM 168pin
Obr. 4.3 Paměť RAM modul Dimm DDR, 184 pin
Obr. 4.4 Paměť RAM –modul RIMM, 32 bitů
- 29 EDO RAM – Extended Data Output RAM Jedná se o vylepšenou variantu FPM RAM. Vyrábějí se ve variantách 70, 60 a 50 ns. Stejně jako předcházející typ nejsou optimalizovány pro kmitočty sběrnice větší než 66 MHz. SDRAM – Synchronus Dymaic Ram Zatímco předcházející tři typy se vyrábějí pro moduly SIMM, SDRAM je vyráběna nejčastěji v modulech DIMM. Paměť je schopna pracovat se všemi výstupními a vstupní signály synchronizovaně se systémovými hodinami. Výhodou těchto rychlých pamětí je, že nemají problémy s kmitočtem sběrnice větším než je hodnota 66 MHz. Přístupové doby většinou dosahují hodnot 10 nebo 12 ns (pro frekvenci sběrnice 66 MHz), popřípadě 7 či 8 ns (100 Mhz). Pro kvalitnější paměťové čipy nebo pro čipy s nižší frekvenci je možné u paměti pomoci BIOSu nastavit CAS Latency, tedy počet taktů zpoždění přenášených dat. Nastavují se hodnoty 2 nebo 3. Větší hodnota samozřejmě znamená pomalejší práci. DDR – SDRAM II (Double data Rate) Do paměti se přistupuje v náběžné i sestupné hraně hodinového impulsu CLK a tak se dociluje zdvojnásobení rychlosti. RIMM - RDRAM jsou nejnovější paměti uplatňované pro procesory Intel P4. 4.1. Výměnná paměťová média Nejčastěji se vyrábějí ve formě PC karet (PCMCIA) pro notebooky a digitální fotoaparáty. Informace se uchovávají v paměťových čipech typu Flash. Současně se kapacity těchto disků pohybují v desítkách MB. Nevýhodou je vyšší cena. Dnes často používaná paměťová média: USB flash disk, SmartMedia, CompactFalsh, SD Card, apod.
Obr. 4.5 USB flash disk Computer 3/2003 str28
5.
Základní deska v PC
Plošný spoj osazený potřebnými obvody a komponenty, které včetně procesoru a paměti tvoří jádro PC. Na následujících dvou obrázcích jsou příklady architektury základních desek. Úspěch PC spočívá ve snadné rozšiřitelnosti.
Obr. 5.1 Architektura Athlon/Duron
Obr. 5.2 Architektura P4
- 30 -
Obr. 5.3 Základnídeska
5.1. BIOS (Basic Input Output System) BIOS zajišťuje ty nejzákladnější úkony, kterých je zapotřebí pro obsluhu počítače. Je uložen v paměti ROM. Dnes se ukládá do reprogramovatelných pamětí typu Flash, které umožňují upgrade BIOSu. Po zapnutí počítače se automaticky BIOS inicializuje a spustí program POST (Power On Self Test), který otestuje počítač. Během tohoto programu je možné vstoupit do Setupu. BIOS provádí: o úvodní celkový test počítače o umožňuje nastavit základní parametry počítače o zavádí operační systém o poskytuje operačnímu systému prostředky pro realizaci víceúlohového prostředí Pro nastavení parametrů počítačů se používá speciální program SETUP, který se může vyvolat při spuštění počítače. Aktuální nastavení se ukládá do speciálního paměťového obvodu typu CMOS (Complementary Metal-Oxid Semiconductor). Tato paměť je napájena speciální přídavnou baterií. Základní volby v Setupu: datum, čas, parametry HDD a FDD, povolení testu připojení klávesnice ... Nastavení pro pokročilé uživatele: rychlost klávesnice, heslo Setupu, přepínání cache paměti, parametry Power Managmentu, stínování ROM pamětí, pořadí disků.... Nejčastější typy BIOSu: AMI BIOS, AWARD BIOS, PHOENIX
- 31 -
Blokové schéma uC, popis funkce počítače dle koncepce Von-Neumann, funkce sběrnice, ALJ, paměť Vstupní zařízení
Řídící signály
Výstupní zařízení
Paměť RAM
ALJ (ALU) CPU
Data Řadič
Obr. 5.4 Koncepce počítače dle John von Neumann
Základní uspořádání číslicového počítače formuloval americký matematik John von Neumann v r. 1946. Vstupní zařízení, výstupní zařízení, paměť (RAM, HDD, FDD) ALJ+řadič a základní registry tvoří společně CPU Tyto bloky včetně dalších obvodů a spojů mezi nimi nazýváme HARDWARE – technické vybavení (prostředky). Pro použití počítače je třeba mít k dispozici programy a data (programové vybavení - SOFTWARE). Program lze měnit bez zásahu do hardware. Sběrnice (bus) • Adresová • Datová • Řídící Pyramida hierarchie sběrnic ISA, PCI, USB, SCSI, Fire-wire IEE 1394 Mikroprocesor je spojen s operační pamětí Data se po sběrnici přenáší pararelně. To znamená, že po odpovídajícím počtu vodičů (8,16,32,64) se přenáší informace současně, například celý byte po 8 vodičích. Pro nové součastné procesory 64-bitové to znamená značný nárůst výkonu, neboť se zpracuje najednou větší objem dat díky širší sběrnici. ALJ + řadič Řadič generuje všechny potřebné signály pro spolupráci všech jednotlivých částí. Tyto řídící signály umožňují vlastní spolupráci μC s dalšími obvody a umožňují i obsluze přímo zasahovat do činnosti mikroprocesoru (reset - nulování) Činnost celého počítače je synchronizována hodinovým signálem CLK. http://computer.cpress.cz Computer 4/03, 10/2003 str28, 11/2003 str12
- 32 -
6.
Procesory
Procesory se z hlediska své vnitřní stavby dají rozdělit na dva typy: CISC (Complete Instruction Set Computing) - jsou procesory používané ve většině současných i dřívějších osobních počítačů. Hlavním rysem těchto procesorů je, že používají tzv. plnou instrukční sadu, neboli se snaží mít na každou úlohu jednu instrukci. Tyto instrukce jsou uloženy v mikrokódu, což je vlastně program vloženy do paměti procesoru. Tento systém vytváření je z hlediska technologického jednodušší, ale instrukce se provádějí pomaleji než u obvodového řešení. Příklady: i8086, i80486, Pentium, M68040 ... RISC (Reduced Instruction Set Computing) - procesory s redukovanou instrukční sadou. Obsahují jen několik základních instrukcí. Každá z nich by se měla vykonávat co nejkratší dobu, pokud možno během jediného strojového cyklu. Instrukce jsou vytvořeny obvodově a tudíž se většinou provádějí rychleji než u mikrokódového řešení. Stejně jako je malý počet instrukcí i je malý počet způsobů adresování. Pro práci s pamětí se na rozdíl od CISC procesorů používají jen dvě instrukce (Load/Store). Všechny ostatní instrukce se vyhodnocují v registrech, kterých bývá většinou větší počet (obvykle 32). Příklady: PA-8000, Power PC, R 4200, UltraSparc II ... V dnešní době se obě architektury přibližují. Mnohé procesory nesou rysy obou typů. Mikroprocesory-rozdělení, zákl. vlastnosti, použití a začleňení μC techniky do řízení Adresa – určuje místo, kam se mají ukládat nebo odkud se dají získat příslušné informace. Každému paměťovému místu je přiřazena adresa, která je celé nezáporné číslo. Instrukce – práce je řízena programem, který se skládá s instrukcí. Instrukce určuje, co je třeba s rozpracovanými informacemi udělat, vyhodnocuje ji řadič, a řídí podle ní činnost ALJ. Je to příkaz k provedení jedné základní operace. Instrukční cyklus – je časový interval potřebný k výběru a vykonání instrukce. Algoritmus – postup řešení, který vede k cíli Počáteční adresa – startovací adresa v paměti, kde začíná program Program – sled instrukcí, které se vykonávají podle algoritmu Data – informace, které jsou zpracovávány bit- b (nejmenší jednotka informace 0/1), byte -B (slabika 8 bitů ), slovo (word) 2B-16b, doubleword (long) 4B-32b operační paměť- hlavní paměť zařízení, pamatuje si informace ve dvojkové soustavě Cache rychlá vyrovnávací paměť Typ 4004 8008 8080 8086 80286 80386 80486 Pentium 75, 200 (80586) AMD K6 300MHz AMD Duron 1,3GHz Athlon XP2400+ Intel Pentium 4/3,06GHz Itanium 2 /1GHz AMD
Počet bitů/doplň. info. 4b /60000 operací/sec 8 bitů 8 bitů 16 bitů 16 bitů 32 bitů, 132 vývodů 32 bitů 32 bitů, 3,3V, 296 vývodů, ztrátový výkon 4 – 6 W, 295 mm2 32 / 0,25um 32bitů, 0,18μm, 54W, 64kB L2Cache, 1,75V 32b, 0,13μm, 2,5Gflops,62W, 256kB L2Cache, 85°C, 1,65V 32 b, 0,13μm, 512 kB L2 Cache, 1,55V, 81W, 64b /0,13um/400mm2 /13Gflops 64b
Tab. 1 Přehled parametrů procesorů
Počet tranzistorů 5 000 29 000 130 000 275 000 1 200 000 3 300 000
Rok výroby 1970 1972 1974 1976 1982 1985 1989 1993
8 mil 25 mil. 37 mil.
2001 2002
55 mil.
2002 2002 2002
- 33 6.1. Dělení procesorů Univerzální mikroprocesor např. typ 8080, 8086, 80286… neobsahují obvykle paměti typu ROM, paměti RAM má jen několik registrů pro všeobecné použití, rychlost uC je srovnatelná s ALJ. Procesory nesou označení CPU (Central Processor Unit) a tvoří základní řídící jednotku počítače. Oproti mikrokontroleru mají mnohem vyšší výkon, větší rozměry, je možné je díky jejich otevřené architektuře a velkému množství vyvedených signálů lépe rozšiřovat. Samozřejmě tyto výhody jsou zaplaceny vyšší spotřebou a ztrátovým výkonem, rovněž cena je vysoká. Jednočipový mikropočítač (mikrokontroler nebo mikrořadič), často označovaný jako MCU (Micro Controller Unit), např. typ řady 8048, 8051 atd. mají na svém čipu integrovány paměti typu EPROM o kapacitách 8kB, 32kB podle typu, dále na čipu je umístěna paměť RWM max. 256B (to je celá datová a programová operační paměť), stykové obvody I/O, jednoduchý přerušovací systém, interní čítač/časovač. Kapacita pamětí je vzhledem k technologickým, ekonomickým i aplikačním možnostem omezena. Operační paměť je rozdělena na dvě části datovou a programovou s odlišnými přístupovými metodami. Ext. paměť lze snadno rozšířit. Umožňuje ekonomicky realizovat automaty pro nejrůznější aplikace kusové i sériové výroby, výhodná je nejen nízká cena, ale i malé rozměry, a nízká spotřeba energie (příkon), doba vývoje aplikace i výrobní náklady. Tyto procesory jsou vyráběny pro přesně určenou specifickou činnost a mají jen malou možnost rozšíření. Rovněž ve výkonnosti nedosahují vysokých hodnot. DSP (Digital Signal Processor) je určitým kompromisem mezi oběma předcházejícími skupinami procesorů. Signálové procesory se většinou vyznačují vysokým výkonem v oblasti zpracování matematických výpočtů a schopností zpracovávat velké objemy dat. Součástí těchto procesorů jsou často i digitálně-analogové a analogově-digitální převodníky. Procesory se používají například ve zvukových kartách. 6.2. Historie výroby V listopadu 1971 vznikl první mikroprocesor Intel 4004. Tento procesor s 2300 tranzistory a frekvencí 108 kHz byl dokonce vyslán do vesmíru v sondě Pioneer 10. Firma Intel byla v minulosti jediným výrobcem procesorů používaných v PC (x86) a vyráběla procesory s označením 8080, 8086, 286, 386 a 486. Procesory x86 ale začaly vyrábět také konkurenční firmy (AMD, Cyrix/IBM, UMC, NexGen) a proto se firma Intel rozhodla svému procesoru páté generace přidělit jméno, které by jiné firmy nemohly použít. Proto se pro procesor i586 používá označení Pentium. První Pentia byly uvedeny na trh v roce 1993 na frekvenci 60 a 66 MHz a překonaly svým výkonem všechny dosud vyráběné procesory i486. Obsahovaly přes 3 miliony tranzistorů. Poté byla uvedena i 75 MHz verze Pentia, která se zasazovala do jimé patice, která se používala pro všechny procesory Pentium a kompatibilní a nesla označení Socket 7. V roce 1994 následovalo 90 a 100 MHz Pentium a postupně byly vyrobeny Pentia s frekvencemi 120, 133, 150, 166 a 200 MHz. Začátkem roku 1997 byly představeny 166 a 200 MHz procesory Pentium/MMX se 4,5 milionu tranzistorů. Od běžných procesorů Pentium se Pentium/MMX liší například rozšířením o technologii SIMD (Single Instruction, Multiple Data) a především pak rozšířením jeho instrukční sady o
- 34 57 nových instrukcí technologie MMX (MultiMedia eXtension), které podporují rychlejší
Obr. 6.1 Procesor Intel Celeron
Obr. 6.2 Procesor Intel PIII
zpracování grafiky a multimédií. Frekvence Pentia/MMX byla ještě zvýšena na 233 MHz. V roce 1997 firma Intel představila procesor Pentium II (vyvíjený pod kódovým označením Klamath), který je založen na jiné architektuře a využívá zcela jinou patici SECC (Single Edge Contact Cartridge), která nese oficiální označení Slot 1. První procesory Pentium II měly frekvence 233, 266 a 300 MHz a byly tvořeny 7,5 milionu tranzistorů. Procesor Pentium II je uložen v kompaktním typickém černém plastikovém pouzdře, ve kterém je uložena i 512 KB cache L2, která do té doby byla na základních deskách. Přístup k této paměti je rychlejší a pracuje na poloviční frekvenci procesoru. Procesory Pentium II se (dodávaly) s frekvencemi 233, 266, 300 a 333 Mhz (varianta se 66 MHz systémovou sběrnicí) a na frekvencích 350, 400 a 450 MHz (varianta se 100 MHz sběrnicí). Procesory Pentium II jsou ale poměrně drahé a firma Intel tedy začala ztrácet svůj většinový podíl na trhu s levnými počítači (1000 USD). Proto představila procesor Celeron, někdy přezdívaný též Mrkvoň ;-), který byl vlastně "nahým" procesorem Pentium II a neobsahoval L2 cache. To samozřejmě snížilo jeho výkon a tak byla představena i varianta Mendocino, neboli Celeron se 128 KB L2 cache integrovanou na čipu, která však pracuje se stejnou frekvencí jako procesor, takže tato varianta je v některých případech dokonce rychlejší než Pentium II. Procesory Celeron se dodávají s frekvencemi 233, 266, 300, 333, 366, 400 a 433 MHz. Většina z nich se zasazuje do stejné patice jako Pentium II, ale některé modely mají svou vlastní patici označovanou jako Socket 370, která je velmi podobná patici Socket 7 a její nasazení znamená další snížení nákladů na výrobu procesoru a desky. Samostatnou kapitolu tvoří procesory Pentium Pro. Jde o procesory, které se používaly většinou v pracovních stanicích a serverech. První Pentium Pro mělo frekvenci 150 MHz a obsahovalo 5,5 milionu tranzistorů. Bylo představeno v roce 1995. Procesory Pentium Pro se vyráběly s frekvencemi 150, 166, 180 a 200 MHz a až do nástupu procesoru Pentium II Xeon byly jedinými procesory firmy Intel, které podporovaly čtyř a víceprocesorové systémy. Procesor Pentium II Xeon nahrazuje Pentium Pro a vyrábí se s frekvencemi 400 a 450 MHz. Má stejné jádro jako procesor Pentium II, je dodáván s pamětí L2 cache o velikosti 512 KB nebo 1 MB. Je uložen v černém pouzdře, které je však větší než u Pentia II a váží téměř 0,5 kg. Instaluje se do jiné patice označované jako Slot 2. V roce 1999 byl představen procesor Pentium III (Katmai), který je podobný Pentiu II, ale je rozšířen o technologii Streaming SIMD Extension. Díky nim je např. možné, aby jednotka FPU provedla v jednom cyklu až 4 výpočty. Také technologie MMX byla rozšířena o 12 nových instrukcí. Uvedeny byly např. 450 a 500 MHz verze. Posledním v řadě je Pentium 4 se 42 miliony tranzistorů a frekvencí 2 GHz. Intel také vstoupil s procesorem Itanium do světa serverů a jeho poslední ohlášené technologie zaručují, že nám Moorův zákon ještě nějakou dobu vydrží.
- 35 Firma AMD se stala populární díky svým klonům procesorů i386 a i486, které svým výkonem převyšovaly ekvivalenty od firmy Intel. Jako konkurenta Pentia vyráběla procesor K5, jehož uvedení na trh však bylo několikrát odloženo a nestal se příliš populární. Pracoval
Obr. 6.3 Procesor AMD K6-II
Obr. 6.4 Procesor AMD K6-III
Obr. 6.5 Procesor AMD Athlon
na jiných frekvencích než Pentium, proto se výrobci dohodly na tzv. P-ratingu, který udával výkon procesoru srovnáním s procesorem Pentium. P120 např. znamená, že procesor má výkon ekvivalentní k procesoru Pentium 120, případné plus za číslem značí, že výkon procesoru je o něco vyšší než výkon ekvivalentního Pentia. Procesory K5 se dodávaly ve verzích PR75, PR90, PR100, PR120, PR133 a PR166. Firma AMD se sloučila s Firmou NexGen, která vyvíjela procesor později označený jako AMD K6. Obsahoval 8,8 milionu tranzistorů a byl představen ještě dříve než Pentium II, čímž se firma AMD na chvíli dostala na špici výkonnostního pole. Procesor K6 obsahuje technologii MMX firmy Intel a dodával se ve verzích 166, 200 a 233. V roce 1998 byla do procesoru K6 začleněna nová technologie firmy AMD označovaná jako 3D Now!, která podporuje 3D grafiku. Procesor K6 s technologií 3D Now! tedy získal označení K6-2. Má 9,3 mil. tranzistorů a je dostupný ve verzích 300, 350, 366, 380 a 400 MHz. Firma AMD také pro své procesory vyvinula novou patici Super7, která je velmi podobná patici Socket 7. Desky s touto paticí také podporují 100 MHz sběrnici a sběrnici AGP. V únoru 1999 firma AMD představila procesor K6 III, který je konkurentem Pentia III od firmy Intel, následovaly procesory Duron a ATHLON. Základní pojmy v oblasti technologie procesorů. o Socket / slot – patice pro zasunutí procesoru o Primární vnitřní vyrovnávací paměť – zachycuje data i instrukce proudící mezi samotným procesorem a ostatními pamětmi. Nachází se přímo na čipu procesoru L1 Cache - cache první úrovně, velikost je asi 8 – 64 KB. o Sekundární externí vyrovnávací paměť – zachycuje data proudící mezi primární vyrovnávací pamětí a ostatními pamětmi. Je mimo čip procesoru, ale je na stejné destičce jako procesor L2 Cache - cache druhé úrovně. Běžné kapacity jsou 128 – 512 KB. o Paralelní zpracování instrukcí – analyzuje tok instrukcí, rozkládá je na mikroinstrukce a umožňuje jejich souběžné zpracování o Základní frekvence sběrnice – je frekvence (rychlost komunikace), od které jsou odvozovány všechny ostatní frekvence v počítači i frekvence komunikace mezi procesorem a pamětí. Existuje základní řada normovaných frekvencí: 66 MHz, 100 MHz, 133 MHz, 200MHz. o Násobící faktor – určuje frekvenci procesoru – frekvence sběrnice základní desky vynásobena násobícím faktorem (100 MHz x 10 = 1000 MHz). Pokud zvýšíme sběrnici na 133 MHz, (200 MHz) bude frekvence procesoru 1 330 MHz (2000 MHz). o Operace v pevné řádové čárce – FLOPS (Floating Point Operation per Second) provádějí základní výpočty a přesuny dat uvnitř procesoru a mezi procesorem a pamětí. Procesor s dobrým výkonem v pevné řádové čárce bude vhodný v kancelářských aplikacích (textový editor a pod.)
- 36 o Operace v pohyblivé řádové čárce – slouží k matematickým výpočtům. Zvláště vhodné při matematických výpočtech, multimediálních výpočtech nebo hrách (Adobe Photoshop, MP3, 3D Studio Max). o Stabilita procesoru – práce bez chyb a výpadků (nečekané zamrzání systému). o Přetaktování procesoru – nastavení vyšší frekvence procesoru, než je předepsáno výrobcem o Timing a latency – periody a prodlevy při komunikaci s čipovou sadou. Při vyšší prodlevě dochází ke zvýšení stability, při nižší ke zvýšení výkonu. o Čipová sada – ovlivňuje výkon základní desky a tedy přímo i výkon procesoru. Pro výběr kvalitní základní desky je důležité sledovat typ čipové sady, neboť určuje které paměti a komponenty budou spolupracovat s CPU (podpora typu CPU apod.). Výrobců je mnoho (Intel, SIS, ALI, apod.) o MIPS – Milion instruction per second – počet instrukcí v řádové pohyblivé čárce Pokračování růstu výkonu procesorů je podle předpovědi jednoho ze zakladatelů Intelu Gordona Moora – každý rok se výkon CPU zdvojnásobí. Zatím to platí stále. http://computer.cpress.cz Computer 07/2003
7.
Záznamová média
7.1. Pevné disky (HDD) Magnetické médium pro uchování dat, které je dokonale uzavřeno v pouzdře, které jej chrání před nečistotami a poškozením. V pouzdře se kromě samotného disku, kterých je většinou více, nachází příslušný počet magnetických hlav umístěných na pohyblivých ramenech, motorek, elektronické obvody řídící činnost disku a vyrovnávací paměť. Samotný nosič (přesně vyvážená pevná kovová deska s několika mikrometrů silnou magnetickou vrstvou, deska je nejčastěji hliníková slitina, někdy i skleněná deska) se pohybuje v rychlostech 5400, 7200, 10000, 15000 otáček za minutu po celou dobu, kdy je připojen ke zdroji. Záznam i čtení informací probíhá elektromagneticky (na základě elektromagnetického jevu). Technologie hlaviček je nejčastěji magnetorezistivní (MR). Pro zápis se používá cívka, která je založena na efektu změny odporu podle orientace magnetického pole. Hlavy se pohybují velmi blízko povrchu (0,3-0,6 mikrometrů), ale díky rychlé rotaci se jej nedotknou. Při doteku hlavy s magnetickým povrchem by došlo k poškození záznamové vrstvy. Dřívější disky s krokovým motorkem vyžadovala speciální program „autopark“ k přesunutí hlav na nejvnitřnější stopu při vypínání počítače. V dnešní době, kdy se mnohdy místo krokového mechanizmu pro nastavování ramen používá cívky s jádrem, se disky parkují automaticky. Informace jsou na disku uloženy do soustředných kružnic, kterým se říká stopy. Číslují se z vnější strany (stopa 0) směrem dovnitř. Každá stopa se pak dělí na krátké úseky zvané sektory (nejčastěji velikost 512 kB). Sektory jsou číslovány od jedničky. Skupina sektorů, které se v rámci jednoho pevného disku nachází jakoby nad sebou v různých diskových plotnách se nazývá cylindr (válec). Jelikož jsou všechny diskové hlavičky přemisťovány zároveň, nachází se vždy také nad sebou, a je tedy možné manipulovat s obsahem jednoho cylindru najednou. Výrobci zavedli zónové dělení stop na sektory, kdy je na vnějším okraji disku více sektorů než ve stopách blíže ke středu.
- 37 -
Obr. 7.1 Fyzické uspořádání dat na disku
Způsob zápisu dat na pevný disk je shodný se zápisem na disketu či pásku. Každý sektor disku je ještě rozdělen do mikrooblastí, které mohou být individuálně – tedy bez ohledu na sousední oblasti – polarizovány záznamovými hlavičkami, přičemž různé hodnoty polarizace odpovídají bitovým hodnotám 0 a 1. Hranice zmíněných mikrooblastí nejsou na diskové plotně předem nikterak nalinkovány, jsou určeny až naformátováním disku, přičemž k nalezení požadované oblasti je zapotřebí interní diskové tabulky (např. FAT32, NTFS).
Obr. 7.2 Způsob uložení dat na HDD
Cívka kterou prochází proud, vytváří magnetické pole, které je vedeno přes jádro zapisovací hlavy k magnetické vrstvě a magnetizuje záznamový materiál. Směr magnetizace je závisí na směru zápisového proudu.
Obr. 7.3 Způsob zápisu dat na HDD
Čtení je založeno na principu elektromagnetické indukce. Na vývodech cívky, která se nachází v magnetickém poli, lze naměřit napětí vždy ve chvíli, kdy se toto pole mění. Tzn. při přechodu 0 na 1 a z 1 na 0 se indukuje v cívce napětí. Z tohoto napětí se získává (odvozuje) zapsaná informace.
Obr. 7.4 Způsob čtení dat z disku
Sekvenční čtení či zápis dat tedy optimálně probíhá následovně: záznamové hlavičky jsou vystaveny nad požadovanou stopu, při jednom průchodu jsou zpracovány všechny cylindry z jedné stopy a hlavička je přesunuta nad vedlejší stopu. V případě, že části jednoho souboru jsou uloženy roztříštěně v různých stopách, musí záznamová hlavička poletovat ze stopy na stopu a tam čekat, až se diskové plotny pootočí nad správný cylindr, což představuje
- 38 znatelné zdržení při práci s diskem. Neuspořádané umístění dat na disku lze spravit procesem tzv. defragmentace. Lokální vady na diskových plotnách v řádu jednotek až stovek bajtů jsou běžnou záležitostí každého disku. Takovéto drobné chybičky umí řešit elektronika pevného disku. Vadná místečka si umí disk zapamatovat a data, která by zde měl uložit, umisťuje do záchranných prostor vyhrazených k tomuto účelu již z výroby (kapacita těchto záchranných kapes se nezapočítává do celkové kapacity disku). Vážnější problém nastává při poškození větší oblasti – části diskového sektoru, kde by se měly vejít kilobajty dat. Zde již kapacita záchranných kapes nedostačuje a navíc elektronika disku není schopna renovovat původní obsah oblasti (neboť jsou poškozena i redundantní data, ze kterých by mohla původní obsah dopočítat). Poškození popsaného rozsahu má fatální důsledky v případě, že v postižené oblasti byla uložena data. Při pokusu o přečtení těchto dat disk někdy vrátí nesmyslné informace, jindy prostě zhavaruje – v každém případě mohou být data s velkou pravděpodobností ztracena. Vadné sektory však mívají tendenci k množení a při objevení prvních takovýchto sektorů je nejlepší vše zavčas zálohovat a pořídit si nový disk. Již několik let jsou veškeré pevné disky vybaveny technologií, která dokáže uživatele varovat v případě, že spolehlivost pevného disku klesá. Tato technologie se jmenuje např. S.M.A.R.T. od anglického Self Monitoring Analysis and Reporting Technology. Princip této technologie je popsán již jejím názvem – neustále se provádí kontrola vybraných interních parametrů pevného disku, získaná data se analyzují a výsledek analýzy může být předán dále počítači (BIOS, operační systém) a posléze i uživateli. Sada parametrů, která v pevném disku podléhá diagnóze, se liší model od modelu, typicky sem však patří: o výška záznamové hlavy nad plotnou o interní datová propustnost o čas potřebný k roztočení diskových ploten o počet využívaných záchranných sektorů o rychlost vyhledávání dat o rychlost reakce záznamové hlavy na chybu o počet pokusů nezbytných ke kalibraci disku Parametry pevných disků Neformátovaná kapacita - je teoretická kapacita disku daná hustotou záznamu na použitém médiu Skutečná kapacita - je menší než neformátovaná. Část kapacity odebírá struktura disku ( FAT, zaváděcí sektory, hlavní adresář) Katalogová kapacita - je o něco menší než skutečná, neboť počítá s určitým statistickým počtem vadných sektorů Vyhledávací doba (seek time) - je čas, který potřebují diskové hlavy k tomu, aby se přesunuly na daný cylindr (stopu). Většinou se uvádí střední vyhledávací doba. Přístupová doba (access time) - skládá se z vyhledávací doby potřebné na nastavení sektoru pod hlavu (latency time) a z doby spotřebované řadičem na řízení této činnosti. Rychlost disku je určena: posunutím hlav do požadovaného místa (seek time), jejich ustálením (settle time) a pootočení desek do polohy, kde je hlava nad požadovanou oblastí (latency time). Střední přístupová doba - průměrný čas k dosažení určitého místa na disku (kolem 10ms). Běžná velikost dnešních disků je 3,5“, 2,5“ ale i 1,8“, 1,5“. Logická struktura pevného disku Klíčovým místem disku je první sektor na stopě nula. Je v něm uložena informace o rozdělení disku na logické disky (partition table). Obsahuje rovněž program pro inicializaci systému, a který umožní přesun na zaváděcí sektor bootovací partition a odstartuje v něm uložený
- 39 zaváděcí program. Proto se mu říká master boot record (MBR). Za zaváděcím sektorem je oblast vyhrazená pro vlastní bootovací či zaváděcí program, který aktivuje operační systém. Délka této oblasti je dána parametry v zaváděcím sektoru. Dále následuje FAT (Fille Allocation Table) - tabulka rozdílení disku (většinou dvě), které obsahují nejčastěji 16-ti bitové položky. (Jiné operační systému mají jiné tabulky rozdílení disku než DOS. Např. OS/2 používá souborový systém HPFS, Windovs NT - NTFS). Po tabulkách je oblast pro ukládání položek kořenového adresáře. Každá položka má 32 B. Zbývající oblast je pro ukládání položek podadresářů a jejich položek. Soubory se na disk ukládají do skupin sektorů, kterým se říká cluster (alokační jednotka). Umístění souboru do clusterů je zaznamenáno v položkách FAT tabulky. První položka v tabulce obsahuje identifikátor druhu disku, který odpovídá příslušnému údaji v zaváděcím sektoru. Druhá položka obsahuje pouze bity nastavené na hodnotu 1. Od třetí položky začínají informace o souborech a příslušných clusterech. Opakovaným zápisem a mazáním souborů dojde k fragmentaci disku - clustery jednotlivých souborů jsou rozházeny různě na disku. Velikost clusterů závisí na použité tabulce rozdělení souborů (FAT) a velikosti disku. Například u FAT s 16 bitovými položkami je možné popsat maximálně 65 536 alokačních míst na disku (216 = 65 536). Bude-li mít disk velikost 1 GB (1073741824 B), pak z podílu 1073741824 B / 65 536 získáme hodnotu 16384 B, tedy 16 KB, což je velikost jednoho clusteru. Neboli jeden cluster je tvořen třicetidvěma sektory o velikosti 512 B. Tedy nejmenší prostor, na který se uloží data na disk je 16 KB, i kdyby velikost souboru byla pouhých 50 B. Z uvedeného výpočtu vyplývá, že FAT s 16 bitovými položkami není vhodná pro práci s velkými disky a je potřeba vytvořit menší logické disky. Pro disky s velkou kapacitou jsou vhodnější alokační tabulky obsahující 32 bitové položky (232 = 4,3*109), například FAT32. Ultra ATA = Ultra DMA 33,66,100 MB/s 40 žil Ultra ATA 133, 80 žilový kabel, maximální přenosová rychlost 133 MB/s SATA 150 - 1. generace, maximální přenosová rychlost 150 MB/s
Obr. 7.5 Pevný disk
Obr. 7.6 Konektor IDE kabelu
Obr. 7.7 Konektor S-ATA
- 40 -
Obr. 7.8 Pevný Disk
Obr. 7.9 Porovnání konektorů IDE/Serial ATA
Obr. 7.10 Parametry pevných disků
http://computer.cpress.cz Computer 9/2003 7.2. RAID (Redundant Array of Independent Discs) RAID, tedy redundantní pole nezávislých disků, bylo definováno 7 základních standardů RAID 0 až RAID 6. Vyšší číslo určuje kvalitnější technologii. Tato disková pole slouží k bezpečnějšímu uložení dat a zvyšují přenosové rychlosti. Jsou složena s určitého množství redundantích (doplňujících se) disků, které před uživatelem vystupují jako jediný virtuální disk. RAID 0 zvyšuje datový výkon (kapacita, rychlost – paralelní střídavý zápis na více disků), nezvyšuje bezpečnost. RAID1 zvyšuje bezpečnost (dublované zrcadlení dat, drahé řešení). RAID 5 je nejpoužívanější.Objevuje se i systém RAID 7, což je výrobek firmy Storage Computer Corporation, který se však hodně liší od standardů RAID 0-6. Tyto úrovně využívají ke zpracování dat paralelní struktury, což sebou nese nutnost instalovat disky jednoho typu se stejnými parametry. RAID 7 je struktura asynchronní. Disky lze přidávat po jednom až do maxima 48 disků (4TB). Díky důsledné modularitě systému, lze postupně a vcelku bez obtíží přidávat další komponenty. 7.3. Pružné disky (FDD) Samotná disketa je vyrobena z plastové folie, na kterou je nanesena tenká magnetická vrstva. Dnešní rozměr kotoučku je 3,5“ (dříve 5,25“ a 8“). Podobně jako pevný disk je disketa
- 41 rozdělena na stopy a sektory (cluster je většinou roven jednomu sektoru). Hlava zařízení se pohybuje přímo po povrchu média. označení rozměr stran stop sektorů na stopu kapacita DS HD 5,25“ 2 80 15 1,2 MB MF HD 3,5“ 2 80 18 1,44 MB kapacita = (stran) * (počet stop) * (sektorů na stopu) * (velikost sektoru) Existují i diskety o vyšších kapacitách, které však většinou potřebují speciální mechaniky např. LS 120. Magnetické médium má kapacitu 120 MB a velmi se podobá klasické disketě (má jiný mechanismus odkrytí média). Výhodou je, že mechaniky mohou pracovat i s klasickými 1,44 MB disketami.
Obr. 7.11 Záznam dat na disketu
Obr. 7.12 Princip záznamu na disketu
Princip čtení magnetického záznamu na pružném disku. Hnací motorek otáčí disketou a čtecí hlavy snímají zápis.
Obr. 7.13 Disketa
7.4. Výměnné pevné disky Pomocí speciálního pouzdra je možné upevnit běžný pevný disk, například do 5,25“ rozšiřující pozice v krabici počítače. Výhodou je rychlá možnost odpojení a připojení disků, bez nutnosti otevírat kryt počítače (jen ve vypnutém stavu), jinak hrozí poškození disku. Varianty externích HDD připojujících se k počítači pomocí rozhraní USB 2.0 nabízí za vysokou cenu odolnější varianty HDD. 7.5. Iomega ZIP Jedná se výrobek firmy Iomega. Médium (pružný magnetický disk) má velikost 3,5“ a má kapacitu 100 MB nebo 250 MB. Mechanika Zipdrive se vyrábí ve formě externí (paralelní port, USB nebo SCSI) a interní (ATAPI nebo SCSI). Rychlost přenosu dat je ideálně 20 MB/min pro paralelní verzi a 50 MB/min pro SCSI verzi. Přístupová doba je 39 ms. Diskety lze chránit proti zápisu například heslem, lze ji chránit rovněž před nežádoucím čtením. Vnější mechaniku lze připojit k počítači i bez nutnosti restartu systému.
- 42 7.6. CD-ROM Data jsou podobně jako u audio CD (Compact Disc) zapsána ve spirále o délce přibližně 5 km (15000 závitů), která začíná u středu disku a rozvíjí se k jeho okrajům. Na spirále jsou vytvořeny prohlubně (pity). Podle toho zda se laserový paprsek odrazí či rozptýlí, se čte 0 či 1. Kapacita CD disků je 650 MB/74 minut hudby, 700 MB/80 minut hudby a nestandardních 800 MB i 880MB. Průměr disku je 12 cm (mini CD 8 cm). Standardy CD disků jsou zpracovány v tzv. barevných knihách: červená kniha - audio CD (Philips, Sony - CD-DA), žlutá kniha - CD-ROM, zelená kniha - CD-I (Compact Disc Interactive), pro multimédia, bílá kniha - Video-CD, oranžová kniha - CD-MO(Compact Disc-Magneto-Optical), CD-WO (Compact Disc- Write-Once - jeden zápis), Photo-CD. U audio CD se rychlost přenosu dat pohybuje kolem 150 KB/s, což je plně dostačující. V případě CD-ROM se rychlost násobí. Dalšími důležitými parametry jsou: zatížení procesoru - běžné hodnoty dosahují asi 10-20 %, přístupová doba - stovky ms, schopnost korekce chyb, cache na mechanice - 32-256 KB a schopnost pracovat s různými standardy (Video-CD, CD-I, Photo-CD, ...). Na rozdíl od pevných disků, kde se médium otáčí konstantní rychlostí, se otáčení kompaktního disku zpomalí, když se čtou data z okraje disku, a zrychlí při čtení ze středu disku. Laser CD je velmi tenký ( 0,6 mikronu) a jednotlivé dráhy jsou od sebe 1,6 mikronů.
Obr. 7.14 Princip čtení a záznamu dat na CD
sekvenční čtení (celý blok dat jdoucí po sobě v jednom celku) 9 MB/s náhodné čtení 683 kB/s průměrná přístupová doba 95 ms Zapisuje 24× rychlostí, přepisuje 10× a čte data 40×. modely firem HP, Plextor, Teac, Sony, Ricoh, 7.7. CD-R CD-R (CD Recordable) - jednou zapisovatelné CD. Disk je pokryt organickou vrstvou, která je pokryta zlatem. Pomocí vypalovacích mechanik se na CD-R vypálí požadovaná data. Laserový paprsek odstraní zlatou odrazivou a také organickou vrstvu. V daném místě se malý hrbolek, který neodráží světelný paprsek. Tato technologie slouží všude tam, kde je potřeba vytvořit menší počet CD-ROM a lisování by se nevyplatilo. CD-R se může nahrávat buď najednou nebo postupně (režim multisession). Při každém vypálení nových dat je k nim potřeba připojit zaváděcí a ukončovací blok (lead-in a lead-out), což může představovat až 21 MB. Media CD-R jsou tří základních typů, lišících se použitou odrazivou vrstvou a typem
- 43 barviva. U zlatě zbarveného média se využívá zlaté reflexní fólie a barvivo PthaloCyanine, které je průhledné a paprsek prochází až k odrazivé vrstvě. Tato média mají nejlepší odrazivost a nejdelší životnost (až 100 let). Nejlevnějším typem jsou zeleně zbarvená média, která jsou tvořená zlatou reflexní vrstvou a barvivem Cyanine. Životnost média se udává 10 až 20 let. Posledním typem jsou modrá média tvořená stříbrnou odrazivou vrstvou a barvivem Metallized Azo. Parametry se přibližují zlatým médiím. CD-RW (Compact Disc – ReWriteable) – jedná se o mnohokrát přepisovatelné CD. U CDRW neexistuje klasický způsob mazání dat, ale nová data jsou přímo přepisovaná přes původní. Mnoho mechanik umí pracovat jak s CD-R, tak rovněž s CD-RW.
Obr. 7.15 Logická struktura dat na disku CD
http://computer.cpress.cz Computer 15/2003 str15, 20/1998 7.8. CD-RW Přepisovatelné optické disky Používají se dvě základní technologie: a) Zápis s využitím fázového posunu - technologie je vysoce závislá na teplotě a vyžaduje velmi přesné nastavení zápisových a čtecích charakteristik zařízení. Na médiu je speciální vrstva, která se může nacházet ve dvou stabilních stavech: amorfním a strukturovaném. Pomocí tepelné energie laserového paprsku lze měnit tyto stavy. Každému stavu pak odpovídá určitá odrazivost. Odrazivost strukturovaného stavu je vyšší než u stavu amorfního. b) Magnetooptický záznam - určený bod se na citlivé vrstvě disku se zahřeje laserovým paprskem (nad tzv. Curieovu teplotu, asi 150oC). Současně se aplikuje vnější magnetické pole, které způsobí změnu magnetického pole v daném místě média. Po vypnutí laseru se bod rychlé ochladí a nový směr magnetického pole zůstane zachován a nelze jednoduše změnit působením vnějšího magnetického pole při běžných teplotách. Zápis dat se děje ve dvou průchodech. V prvním se zapíší logické nuly a v druhém logické jedničky. Čtení dat se provádí jen v jednom otočení disku a to pomocí laserového paprsku o nízké energii, kdy je rozpoznáváno pootočení laserového paprsku (Kerrův efekt). Otočení je menší než jeden stupeň. Podle polarity se otočí buď po směru (logická jedna), nebo proti směru hodinových ručiček (logická nula). Pootočení je závislé na směru magnetického pole v daném bodě média. Magnetooptické disky se většinou vyrábějí ve formátu 5,25“ a 3,5“. Kapacita disků je řádově stovky MB až jednotky GB. Magnetickooptické disky umí emulovat pevné disky a jsou kompatibilní s většinou operačních systémů. Životnost dat na magnetooptických médiích se udává desítky až stovky let.
- 44 7.9. DVD Digital Video Disc, případně Digital Versatile Disc (1992). Medium má stejný průměr jako klasický CD, má ovšem mnohem větší hustotu. Délka pitů je oproti 0,83 mikrometrům CD pouhých 0,4 mikronů. Rozteč stop je snížená z 1,6 mikronů na 0,74 mikronů, vlnová délka laseru 650nm (červený laser). DVD – ROM lisované médium DVD – RAM přepisovatelné médium na spec. mechanice, jinak nekompatibilní s žádným s formátů, kapacita 2,6 GB, 100000 zápisových cyklů DVD – R/RW – Pioneer, JVC, TDK, Sharp (5 vrstev), 1000 cyklů . DVD + R/RW – HP, Dell, Yamaha, Thompson, Ricoh, SONY, Philips, Verbatim (8 vrstev) 1000 cyklů. DVD-Audio kapacita jen 74 minut hudby, více stop - prostorový zvuk DVD+ kombinace CD z jedné strany a DVD z druhé strany (tlustší). Základní rychlost zápisu DVD je 1350kB/s (9xCD). Ochrana DVD se realizuje Existuji čtyři základní standardy: DVD-5, což je jednovrstvý disk s jednostranným záznamem o kapacitě 4,7 GB. DVD-9 je dvouvrstvý disk s jednostranným záznamem s kapacitou 8,5 GB. DVD-10 je jednovrstvý disk s oboustranným záznamem s kapacitou 9,4 GB. DVD-18 je dvouvrstvý disk s oboustranným záznamem s kapacitou 17 GB. Použití hlavně pro video průmysl. Na médium je možno uložit víc než 2 hodiny kvalitního videa, ke kterému je možné připojit až 8 zvukových stop a 32 různých titulkových sad a další možnosti.
Obr. 7.16 Řez diskem DVD (5 vrstev) - jednostranný jednovrstvý záznam
Nástupce technologie DVD bude Blue-ray Disc s kapacitou 27 GB na disk http://computer.cpress.cz Computer 02/2003, 15/2003 str15, 02/2003 7.10. Zařízení se sekvenčním přístupem - Streamer Nejčastěji se používají různé typy magnetických pásek, které se využívají pro zálohování a archivaci většího množství dat. „Backup“ – pravidelné (denní, týdenní, měsíční) uchovávání dat pro případ poruchy (spadnutí serveru, vadné sektory pevného disku, chybná manipulace operátora). Pásky jsou odolné vůči otřesům a neopatrnému zacházení. Záznam na pásku je sériový, proto je dlouhá doba mezi požadavkem na hledání a samotným vyhledáním
- 45 (přístupová doba). Existují dva základní způsoby záznamu dat: podélný (longitudinal) a šikmý (helical scan). Podélný záznam dat využívají technologie QIC, TRAVAN, DLT. Stopy dat jsou ukládány rovnoběžně s okrajem pásku. Páska se pohybuje podél statické hlavy, která zapisuje souběžně několik stop. Základní systémem pro zálohování dat je založen na standardu QIC (Qarter-Inch Cartridge) - 0,25 palců. QIC streamery používají kapacity pásek od 120 MB (bez komprese) do 5 GB. Formátem na založeným na technologii QIC je TRAVAN - většinou se jedná o pásky šířky 0,315 palců. Novější jednotky standardu TRAVAN TapeStor jsou schopny uložit s kompresí 20 GB nebo 40GB podle typu pásky při rychlosti zápisu 14,4 GB/hod (USB 2.0, 14 000 a 18 000 Kč). V testech rychlosti zálohování mechanika 20 GB zálohovala s kompresí rychlostí 85 MB/min, bez komprese 40 MB/min, ale skutečná rychlost je nižší 14 MB/min, mechanika po čase sama kontroluje již uložená data.
Obr. 7.17 Datová kazeta a externí mechanika VXA
Šikmý záznam - stopa, která je vytvářená na pásce svírá s okrajem pásky určitý úhel (6 nebo 9 stupňů). Páska se pohybuje kolem rotujícího bubnu, na kterém jsou uloženy proti sobě dvojice hlav. Šikmý záznam používají standardy DAT a novější DDS. Dnes se velmi často používají čtyřmilimetrové pásky DAT (Digital Audio Tape) připojené přes rozhraní SCSI, které umožňují zálohovat 0,5 až 4 GB dat bez komprese. Mechaniky DAT dosahují přenosové rychlosti 22-84 MB/min. Jejich nevýhodou je poměrně složitá konstrukce s mnoha rotačními částmi a nutností častého čištění mechanik. Princip DAT je shodný se systémy používanými u videorekordérů. Data z pásku snímají šikmo rotující hlavy, čímž se dosahuje vyšších rychlosti systému. Obecně se dá říci, že výhodou magnetických pásek je relativně nízká cena pro vysokokapacitní média a jednoduchá manipulace. Kapacity moderních magnetických pásků se pohybují v desítkách GB (bez komprese) a brzy se očekávají standardy pracující se stovkami GB. Rovněž přístupové doby se postupně zvyšují na jednotky až desítky MB za sekundu. Magnetické pásky najdou uplatnění všude tam, kde je potřeba zálohovat či archivovat obrovské objemy dat, například u serverů.
Obr. 7.18 Princip pohonu pásky u datové kazety
- 46 -
Obr. 7.19 Typy páskových mechanik
http://computer.cpress.cz Computer 02/2001
8.
UPS – Záložní zdroj (Uninterruptible Power Supply)
Přerušení napájecího napětí může způsobit velké problémy. Pro mnoho aplikačních programů i síťový operační systém představuje náhlé ukončení práce (bez uložení dat) nebezpečný stav, jehož následkem je ztráta dat nebo i nutnost znovu instalovat systém či programy. UPS zajistí po určitou dobu napájení serveru a pak provede legální ukončení systému. Základní parametry, které by měla UPS splňovat: • Výkon UPS se udává ve VA (voltampér) a musí být o něco větší, než výkon napájecího zdroje serveru udávaný ve W (watt). Vztah mezi zdánlivým a činným výkonem je pro napájecí zdroj PC 0,7. Činný výkon bývá až o 30-40 % nižší protože respektuje účiník. Typ spotřebiče Samotný počítač (PI) Samotný počítač (P4) Monitor 15“ Monitor 17“ Monitor 19“ Monitor 21“ Mechanika CD-ROM Inkoustová tiskárna Laserová tiskárna Stolní skener Tabulka 2 - Porovnání spotřebičů
•
Příkon spotřebiče [VA] 30 150 100 140 190 210 50 30 800-1500 150
Příkon spotřebiče [W] 25 100 70 90 123 150 32 20 520-1050 100
Čas napájení z UPS je doba, během níž je UPS schopna napájet PC z akumulátoru. UPS slouží k překlenutí krátkodobých výpadků napájení a ukončení systému, proto je horní hranice této doby zhruba 20 minutová. Menší odběr dobu zálohování úměrně prodlužuje. Dobré záložní zdroje se krátkodobě vyrovnají i s přetížením 25 % po dobu několik minut, ale 50 % přetížení jenom několik sekund a neprospívá životnosti zdroje.
- 47 •
•
Automatické ukončení systému provádí program, který komunikuje mezi UPS a PC prostřednictvím USB nebo sériového portu. Program je přibalen k UPS a nahraje se do operačního systému PC. Pomocí tohoto programu lze sledovat a diagnostikovat provoz a činnost UPS, sledovat stav akumulátorů, vyhledávat četnost výpadků apod. Stav akumulátorů testuje UPS vlastními obvody. Z vybitého akumulátoru nelze zálohovat napájení. Životnost akumulátoru je 3 až 5 let. Používá se olověný (Pb) hermetizovaný akumulátor s gelovým elektrolytem, který může pracovat v každé poloze. Kapacita je udávána v Ah (Ampérhodiny). 10Ah je typická kapacita akumulátoru pro levnou UPS 300VA v ceně okolo 3000 Kč. Náhradní akumulátor lze přibližně zakoupit v ceně 600 Kč.
Cenu UPS určuje kromě jejího typu i její výkon. V ceně do 10 000 Kč s DPH se lze prodeji setkat s UPS s výkonem od 300VA do 700VA, u nichž se pohybuje výdrž od 10-15 minut při maximálním zatížení až po zhruba 30 minut při 50% zatížení. Výkon UPS [VA] Příkon počítače [W] 620 390 700 450 1000 650 1400 950 3000 2250 Tabulka 3 - Typické parametry záložních zdrojů
Doba napájení [min] 6-14 6-17 6-18 7-18 5-15
Například pro 420 VA záložní zdroj by příkon připojených zařízení neměl v součtu přesáhnou 280 W, což odpovídá asi dvěma běžným kancelářským osobním počítačům. Technologie OFF LINE. Záložní zdroj má přímo na vstupu připojenu filtrační část, tzv. vstupní filtr. Objeví-li se nějaké rušivé elektrické složky, které tento pasivní síťový filtr není schopen eliminovat nebo dojde k výpadku elektrické energie, přepojí se na baterii. Z baterie jde stejnosměrný proud a ten se měničem mění na střídavý proud, který potom jde do spotřebiče. Za normálního stavu tudíž není baterie ke spotřebiči připojena. Tato technologie má nesporné výhody v jednoduchosti z toho plynoucí ceně zařízení. Na druhé straně se vyskytují drobné nevýhody, jako například delší doba přepnutí na baterii (4–12 ms) a nemožnost automatické regulace výstupního napětí. Technologie LINE-INTERACTIVE. Postupným vylepšováním technologie offline vznikla technologie lineinteractive. Doba sepnutí je kratší (2–6 ms), stejně tak filtrační vlastnosti jsou zpravidla lepší. Díky automatické regulaci napětí je možné při podpětí nebo přepětí dosáhnout na výstupu napětí blížícího se 230 V. To se děje zpravidla pomocí pomocného napětí, kdy se z dalšího sekundárního vinutí transformátoru skokově přičítá určité napětí (menší nebo větší vzhledem k přednastavené hodnotě na tomto pomocném vinutí). Technickým vylepšením je dražší, a proto téměř nepoužívané řešení pomocí dvou identických paralelních autotransformátorů. Technologie ONLINE Ve skutečnosti se jedná o tzv. dvojitou konverzi. UPS je trvale (online) připojena, tzn. že ze střídavého proudu, jenž přichází k usměrňovači, se vytvoří stejnosměrné napětí a to se následně opět ve střídači mění na
- 48 střídavé napětí, přičemž mezi oběma měniči je baterie. Ta se za ideálních podmínek dobíjí, ale pokud dojde k problému se sítí, slouží jako zdroj stejnosměrného proudu. Výhody jsou zřejmé: doba sepnutí je nulová, ze sítě neproniknou žádné rušivé vlivy (vyjma vlivů, jež vytváří samotná elektronika UPS). Bohužel za kvalitu se platí a v tomto případě nízkou účinností a vysokou pořizovací cenou. Jelikož jsou používány dva převody a žádný nemůže mít 100% účinnost, UPS se stává zdrojem tepla.
Obr. 8.1 Boční pohled do UPS 500VA a pohled na konektory (je chráněn i připojený modem proti přepětí)
http://computer.cpress.cz Computer 02/2002, 02/2003
9.
Počítačové sítě
Výhody sítí jsou: − Sdílení dat – data společná všem uživatelům šetří místo na lokálních pevných discích − Snadný přenos dat – nepotřebujeme výměnná média (diskety, CD) a nejsme omezeni jejich kapacitou. − Sdílení HW prostředků – síťová tiskárna, modem, skener či velký pevný disk slouží všem uživatelům sítě. − Komunikace v síti – mezi počítači putují zprávy, dopisy či videokonference. Všichni mají k dispozici služby Internetu. − Ochrana dat – soustředění klíčových dat k ochraně na jedno místo (server) a zpřístupnit jen některým uživatelům, ostatním skrýt. Navíc pravidelné zálohování dat je pak snadnější a levnější 9.1. Druhy sítí Sítě LAN (Local area networks) je nejčastěji používaný druh počítačové sítě. Jsou omezeny na jedno lokální místo – jeden podnik, místnost, budovu. Zajišťují sdílení lokálních prostředků (tiskáren, dat, aplikací). Sítě WAN (Wide area networks) rozlehlé sítě. Síť WAN sdružuje více vzájemně propojených sítí LAN.Rozlehlost je různá od sítí městských či firemních (firma s více pobočkami ve městech zemích či kontinentech). Dá se říci, že propojením dvou sítí LAN vzniká síť WAN; za síť typu WAN se dá označit i Internet. Sitě MAN (Metropolitan area network) je síť, která zabírá geograficky větší území než sítypu LAN, ale menší než síť WAN. Client-to-server – způsob vnitřního uspořádání a správy lokální sítě. Lokální síť založená na architektuře client/server vychází z dvouúrovňového principu. První úroveň je tvořena hlavním počítačem nesoucím označení server (může jich být více), druhá pak několika počítači označovanými jako client. Peer-to-peer – způsob komunikace mezi dvěma síťovými zařízeními, které spolu operují na rovnocenné komunikační a řídicí úrovni (server neobsahuje).
- 49 9.2. Kabely Koaxiální kabel tenký má průměr 5 mm, impedance 50 Ω. Používá se u starších a levnějších sítí. Odolnost proti rušení je zajištěna opleteným stíněním. Snadno se instaluje, je zakončen konektorem BNC, který se zasunuje do síťové karty nebo do T konektoru pro spojení více počítačů než 2. Kabel musí být na obou koncích zakončen zakončovacím odporem 50 Ω (terminátor). Přerušení koaxu je častou příčinou poruch (špatně nakonektorované koncovky, vykopnutí) výpadku celé sítě. Poruchy se těžko hledají a proto je lepším řešením přejít na kroucenou dvojlinku. Umožňuje přenos dat rychlostí jen 10 Mb/s
Obr. 9.1 Koaxiální kabel
Obr. 9.2 Spojky pro koax. kabely Obr. 9.
Kroucená dvoulinka (twisted pair cable) je nejrozšířenější vodič v síti LAN. Kabel má impedanci 100 Ω, je zakončen konektorem RJ-45 (větší než telefonní), obsahuje 4 páry vodičů. Vodiče jednoho páru jsou navzájem zkrouceny. Ochrana proti rušení spočívá v kroucení. Oba vodiče, jimiž je signál přenášen, se díky vzájemnému zkroucení pravidelně střídají, čímž se ruší možnost ovlivňování jednoho vodiče druhým. Kroucená dvojlinka je mechanicky mnohem odolnější než koax a při montáži ses ní snadněji manipuluje. Umožňuje přenos dat rychlostí 10, 100 i 1000 Mb/s. Existují varianty: Nestíněná kroucená dvojlinka – UTP (Unshilded Twisted Pair) je levnější. • Stíněná kroucená dvojlinka – STP (Shielded Twisted Pair) má lepší ochranu proti vnějšímu rušení. Typ vodiče φ vodiče [mm] Násobek rušení Izolovaný paralelní = A (dvojlinka) 0,6 1 Izolovaný paralelní (dvojlinka větší průměr) 1,5 6 A + stíněný uzemněný 0,6 1/2 A v ocelové trubce uzemněné 0,6 1 / 200 A zkorucený (twist) 0,6 1 / 200 Twist v ocelové trubce uzemněné 0,6 1 / 40 000 Tabulka 4 – Typy a vlastnosti metalických vodičů srovnání [1]
- 50 -
Obr. 9.3 Typy konektorů síťových karet dle topologie sítě Optický kabel je tvořen jedním či několika páry optických vláken. Každé vlákno umožňuje jednosměrnou komunikaci. Pro obousměrné propojení je potřeba dvě vlákna jedno vysílací a jedno přijímací. Přenos dat se uskutečňuje pomocí světlovodu, který je plastový nebo skleněný (vysoká kvalita). Využívá se při něm odrazu světla na rozhraní dvou vrstev s odlišným indexem lomu světla.
Obr. 9.4 Optický kabel mnohavidový a jednovidový
Obr. 9.5 Konektory pro optická vlákna
- 51 -
Obr. 9.6 Řez optickým kabelem
Přenos dat se uskutečňuje pomocí světlovodu, který je plastový nebo skleněný (vysoká kvalita). Využívá se při něm odrazu světla na rozhraní dvou vrstev s odlišným indexem lomu světla. Jednovidová optická vlákna (singlemode - SM)jsou velmi tenká a tak mají malý úhel odrazu paprsků a jejich velkou rovnoběžnost. To vede k malému útlumu a vysoké propustnosti. Vlnová délka vysílacího paprsku 1300 nm, přenos na vzdálenosti 5-50 km, průměr jádra optické vrstvy vlákna 9μm, celkový průměr pláště vlákna 125μm. Používají se pro dálková vedení pro malý útlum a malé zkreslení impulsu. Zdrojem světla je LASER. Mnohavidová optická vlákna (multimode - MM)se používají pro přenos na malé vzdálenosti. Paprsek má mnoho drah. Vlnová délka vysílacího paprsku 850 nm, přenos na vzdálenosti 220m (62,5μm; přenos na vzdálenosti 500m), průměr aktivní optické vrstvy vlákna 50μm, celkový průměr pláště vlákna 125 μm). Výhodou nižší cena prvků a technologií potřebných k jejich spojování. Zdrojem světla je LED dioda. Plastová vlákna mají průměr kolem 1 mm, jsou levná a využitelná pro přenos na krátké vzdálenosti. + imunita vůči elektromagnetickým polím (nemožnost rušit přenosovou cestu z vnějšího prostředí, je nemožný odposlech) + odolnost proti žiravinám (použití: chemický průmysl) + galvanické oddělení vysílacích a přijímacích obvodů + nedochází k zahřívání kabelu jako u klasických metalických kabelů + malé rozměry a hmotnost (velikost určuje hlavně nárazníková a výplňová hmota, ocelové (kevlarové) jádro a obal kabelu) + snazší a lacinější instalace (umožňuje větší namáhání na tah než metalické kabely) + nízká cena skloviny (minimální spotřeba při výrobě, jednovláknový kabel je cenově srovnatelný s koaxiálním) − neodolnost proti radiaci (tmavne a zvětšuje svůj útlum) − nevodivost (vlákno nepřenáší napájecí energii, klas. telefon – potřeba zvláštní zdroj) − pro krátké vzdálenosti a malé přenosové rychlosti je opt. vlákno s vysílačem a přijímačem dražší než metalický kabel − mechanické namáhání konektorů (po zapouzdření konektorů se nemohou jednotlivá vlákna mechanicky namáhat a ohýbat v malém poloměru)
- 52 9.2.1. Strukturovaná kabeláž Strukturovaná kabeláž je optimální uspořádání sítě. Základem takovéto kabeláže je hvězdicová topologie (každá zásuvka je propojena svým kabelem, nejčastěji kroucenou dvoulinkou), Zásuvky mají nejčastěji dvě zdířky, vedou do ní dva kabely. Je k nim možné připojovat různá zařízení (nejčastěji počítač a telefon). Všechny kabely jsou vedeny do propojovacího panelu (patch panelu) v rozváděčové skříni. Ve skříni je kromě patch panelu ještě HUB či SWITCH a telefonní ústředna. Zásuvkové kabely ukončené v patch panelu se pak propojují buď s Hubem (zdířka zásuvky ukončená pro PC), nebo s telefonní ústřednou (konektor zásuvky složí pro připojení telefonu). Nejčastěji bývá na každém patře jeden rozváděč a v každé místnosti je alespoň jedna zásuvka. Řešení je velmi výhodné a má tyto přednosti: • Variabilitu – v každé zásuvce je možné připojovat různá zařízení (PC+telefon, 2 PC, 2 telefony) – stačí pouze přepojit kabely. • Hvězdicovou topologii snadná identifikace poruch. • Univerzálnost pro různé druhy sítí. • Možnost využití zásuvek jak pro datové, tak telefonní nebo obrazové přenosy. • Možnost snadného přechodu na jiné komunikační prvky, bez nutnosti roysáhlých investic do nových rozvodů. Pro malé sítě např. jednu místnost se strukturovaná kabeláž nevyplatí zřizovat, stačí rozbočovač propojený s počítači.
Obr. 9.7 Strukturovaná kabekáž
9.3. Topologie sítí Sběrnicová topologie (bus). Ke spojení se používá průběžné vedení (koax) od stanice ke stanici. Výhodou je malá spotřeba kabelů a nízká cena kabeláže. Nevýhodou je velký počet spojů v kabelu, což je příčinou mnoha potíží a poruch a jejich špatná lokalizace. Jakékoliv přerušení sběrnice znamená havárii celé sítě – přerušení komunikace mezi stanicemi.
- 53 -
Obr. 9.8 Sběrnicová topologie (bus)
Hvězdicová topologie (star). Každá stanice je připojena vlastním kabelem do rozbočovače který tvoří pomyslný střed sítě. Ke spojení se používá kroucená dvojlinka. Výhodou je malá poruchovost. Porucha jednoho kabelu vyřadí z činnosti pouze jednu síťovou stanici. Lokalizace poruchy je mnohem snadnější než u sběrnicové topologie. Nevýhodou je vyšší spotřeba kabelů a nutnost použít rozbočovač, switch (dnes cenově nevýznamná položka).
Obr. 9.9 Hvězdicová topologie (star)
Kruhová topologie (ring). Spojovací veden tvoří souvislý kruh. Přerušení vodiče znamená poruchu celé sítě (jako u sběrnice). Proto se problém řeší zdvojováním kabelu (Token Ring u sítí IBM).
Obr. 9.10 Kruhová topologie (ring)
Páteřní vedení propojuje segmenty sítě a tak veškerá komunikace přesahující jeden síťový segment prochází právě tímto vedením. Požadujeme vysokou přenosovou rychlost – minimálně 1Gb/s 9.4.
Prvky sítě
9.4.1. Síťový HW Aktivní prvky kabeláže aktivně ovlivňují dění v síti. Jsou to následující prvky: Zesilovač, opakovač (repeater) pouze zesiluje jím procházející signál. Pracuje na fyzické vrstvě ISO/OSI. Převodník (transciever) je podobný zesilovači a ještě signál převádí z jednoho typu kabelu na jiný (kroucená dvoulinka na optický kabel). Pracuje na fyzické vrstvě ISO/OSI. Rozbočovač (koncentrátor) Hub – ústřední prvek počítačové sítě s hvězdicovou topologií. Jeho základní funkcí je rozbočení signálu nebo větvení sítě. Pracuje na fyzické vrstvě ISO/OSI. Hub může být pasivní – pouze rozbočuje signál, nebo aktivní, kdy rozváděný signál zatím zesiluje nebo převádí (tedy je také opakovačem). Hub znamená centrum nebo střed.
- 54 Switch (přepínač) – je velmi používaný, podobá se funkčně rozbočovači, ale je mnohem inteligentnější. Zkontroluje totiž, pro který počítač jsou data na vstupu určena, a pošle je na příslušný konektor. Komunikace pak probíhá mezi více páry zdířek switche součastně. Tím se zamezí zbytečnému rozesílání dat a reálná rychlost sítě může být vyšší. Most (bridge, čti bridž) slouží k propojení dvou sítí. Most je inteligentní prvek sítě, který sleduje přicházející data a pošle do druhé části sítě jen ta, která tam skutečně patří. Tím sníží provoz v obou sítích. Most se také dá využít pro propojení dvou sítí s různou kabeláží. Příkladem může být třeba připojení starší učebny, ve které jsou počítače spojeny koaxiálním kabelem (10Base2), do nové sítě (10/100BaseT). Pracuje v linkové vrstvě ISO/OSI a tím dokáže propojit dvě sítě různých standardů. Most je integrován do Hubu nebo jej realizuje softwarově síťový operační systém. Most ovšem používá k předávání dat přímo fyzické adresy síťových karet (MAC). To funguje spolehlivě při jednoduchém a přímém spojení dvou sítí. Navíc je nutné, aby toto spojení bylo opravdu spolehlivé – v případě výpadku si most nebude vědět rady. Směrovač (router, čti routr) Pracuje na úrovni síťové vrstvy ISO/OSI. Shromažďuje informace o připojených sítích a vybírá nejvýhodnější cestu pro posílaný packet. Filtruje packety a navíc je inteligentně směruje přímo podle jejich logických adres – dnes je to především IP adresa. Pokud jsou spojeny jen dvě sítě, je výsledek podobný jako u mostu. Pokud je ale např. ve firemní síti spojeno více malých podsítí, umí se směrovač rozhodnout, kterou cestou je nejvýhodnější data posílat. Směrovač si tedy poradí i v případě, kdy například vypadne přímé spojení do sousední sítě, umí také rozhodnout, kam poslat data, která mají putovat přes několik dalších sítí. Používá se hlavně k připojení k Internetu. Brána (Gateway, čti gejtvej) – pracuje na nejvyšší úrovni vrstvy ISO/OSI – aplikační. Je to v podstatě most nebo směrovač, který umí kromě předávání dat také kompletně změnit jejich formát. Může tedy sloužit například jako překladač mezi sítí postavenou na internetovém protokolu TCP/IP a vnitřní sítí využívající Novell Netware s protokolem IPX/SPX. Slouží k připojování sítí LAN k sálovým počítačům Poznámka: Tradiční, levný a jednoduchý přepínač pracuje na vrstvě 2 (linkové) datového modelu OSI. Pokročilejší modely mohou pracovat na vrstvě 3 nebo 4. Přepínače s vrstvou 3 (síťovou) mohu přebírat některé funkce směrovačů (např. směrování na základě informací o protokolu a hledání nejkratší cesty). Přepínače pracující s vrstvou 4 (transportní) mohu využít i takové informace, jako třeba číslo portu, na které se data posílají. To umožní přidat bezpečnostní funkce – zejména filtrování přístupů (ACL) nebo přidělení přenosové kapacity podle požadavku (QoS). Hranice mezi přepínači vyšších tříd a směrovači je tedy velmi tenká. Moderní směrovače navíc také často obsahují pokročilé funkce – např. firewall a NAT nebo proxy server.
Pasívní prvky se nepodílejí aktivně na přenosu dat např. kabely.
- 55 -
Obr. 9.11 Aktivní prvky a ISO/OSI model
http://computer.cpress.cz Computer 24/2003, str. 12 9.5.
Bezdrátové sítě
Obr. 9.12 Karta pro bezdrát. připojení Wi-Fi Podporované standardy: Bluetooth, přenosová rychlost až 1Mb/s, dosah: max. 10 m; IEEE 802.11a, přenosová rychlost až 54 Mb/s Turbo mode až 108 Mb/s), dosah v místnosti až 12 m při 54 Mb/s, příp. až 50 m při 6 Mb/s, ve volném prostoru 30 m (54 Mb/s), příp. až 150 m (6 Mb/s); IEEE 802.11b, přenosová rychlost až 11 Mb/s, dosah v místnosti až 30 m (11 Mb/s) nebo 90 m (2 Mb/s), ve volném prostoru až 150 m (11 Mb/s), případně až 300 m (2 Mb/s) podporované operační systémy: Windows 98/ME/2000/XP, použití: pouze pro základní desky Asus s Blue PCI slotem (série: A7V8X, A7V8X-X, P4PE, P4GE-V, P4G8X) software v ceně: WIDCOMM Bluetooth software, Asus Dual Band WLAN nástroje: Asus WLAN Control Center, Wireless Setting, Mobile Manager, Site Monitor Trouble Shooting, CD s ovladači
http://computer.cpress.cz Computer 10/2003
- 56 -
10.
Síťové modely
10.1. Packet (paket) Data v počítači jsou uložena ve formě 0 a 1. Jednu elementární informaci (0 nebo1) označujeme jako bit. Skupina 8 bitů, která již nese nějakou informaci se jmenuje Byte (bajt). Přenos dat v síti je vlastně výměnou informačních bajtů. Ty se nemohou v síti pohybovat chaoticky, přenos dat má přesná pravidla. Data se soustředí do packetů (balíčků). Packet je množina dat uzpůsobených k přenosu. Soubor kopírovaný z jednoho PC do druhého je nejdříve rozložen na packety, přenesen a zpětně složen.
Obr. 10.1 Datový packet
Packet začíná úvodní synchronizační skupinou bytů, následuje cílová adresa – kam packet míří, zdrojová adresa – odkud packet byl vyslán. Typ datového pole popisuje typ přenášených dat. Nejdůležitější je datové pole, kde jsou uložena přenášená data. Packet je ukončen polem kontrolního součtu CRC, které umožňuje zkontrolovat správnost přenášených dat. 10.2. Model ISO/OSI Pravidla provozu a komunikace v síti určuje komunikační protokol. Mezinárodní normalizační úřad ISO vypracoval referenční model OSI (Reference model for Open System Interconnection). OSI specifikuje soubor standardů pro výměnu informací mezi systémy, které jsou vůči sobě vzájemně „otevřené“ tj. respektující stejné normy. Model OSI je modulární a umožňuje nové aplikace nebo služby bez změny struktury modelu. OSI definuje a popisuje 7 vrstev pro spojení, určuje strukturu přenášených dat.Každá vrstva modelu OSI definuje sadu funkcí. Vrstvám 2 až 7 jsou přiřazeny softwarové a logické funkce, vrstva 1 řeší fyzický přenos signálu příslušnými médii. Data prochází jednotlivými vrstvami od vrstvy 7 až k vrstvě 1, kde jsou přenesena komunikačním médiem na druhou stranu spojení. Na druhé straně pak prochází od vrstvy 1 až k vrstvě 7. 7 6 5 4 3 2 1
Aplikační Prezentační Relační Transportní Síťová Spojová Fyzická
7 6 5 4 3 2 1
Aplikační Prezentační Relační Transportní Síťová Spojová Fyzická
Přenosové médium (kabel, elektromagnetické pole) Obr. 10.2 Model ISO/OSI
Horní tři vrstvy (aplikační, prezentační a relační) jsou aplikačně - služební. Tyto vrstvy umožňují komunikaci vyšší softwarovou. Dolní tři vrstvy (síťová, spojová a fyzická) jsou komunikačně – síťové. Tyto vrstvy umožňují komunikaci hardwarovou.
- 57 1. Fyzická vrstva je nejnižší vrstva modelu. Předává informace (bity) prostřednictvím fyzické přenosové cesty, kterou ovládá. Definuje např. typy kabelů, konektorů a jejich zapojení. 2. Spojová (linková) vrstva zvyšuje spolehlivost přenosu dat přenášených fyzickou vrstvou. Převádí znaky nebo slova počítače na sériovou posloupnost bitů a naopak. Data doplňuje o zabezpečovací kódy CRC. Umožňuje detekovat a opravovat chyby. Síťový HW – bridge. 3. Síťová vrstva zajišťuje spojení, které neumí linková vrstva (přes mezilehlý uzel). Vrstva zná topologii sítě a zajišťuje přepravu paketů mezi uzly. Síťový HW – router (směrovač). 4. Transportní vrstva zajišťuje přenos paketů mezi libovolnými uzly sítě (komunikace koncových uživatelů). Síťový HW – brána. Odesílá číslované pakety a na straně příjemce řadí pakety do správného pořadí. 5. Relační vrstva po navázání spojení (pomocí transportní vrstvy) synchronizuje a řadí pakety pro síťové spojení. Udržuje spojení a zajišťuje bezpečnost přenášených dat. 6. Prezentační vrstva odpovídá za prezentaci informací, kóduje či dekóduje, šifruje a dešifruje popř. komprimuje a dekomprimuje přenášená data. Často je nevyužitá a její úkol přebírá z části relační a z části aplikační vrstva. 7. Aplikační vrstva je nejvyšší vrstva modelu. Poskytuje přístup aplikace (programu) k síti. Přenáší soubory, elektronickou poštu apod. Služby aplikační vrstvy jsou rozmanitější než předchozích vrstev. Informace se na úrovni určité vrstvy skládají z vlastních dat a ta jsou doplněna o řídící informace vrstvy. Datový paket je rozšiřován a vzniká rámec. Při přechodu do nižší vrstvy jsou veškeré informace z předcházející vrstvy převzaty jako data a opět doplněny o řídící informace příslušné vrstvy. Při přechodu do vyšší vrstvy jsou naopak řídící informace předávající vrstvy odstraněny. Při přechodu do nejblíže nižší vrstvy se zpráva „vloží“ do obálky, jež se zase odstraní. Zpráva tak nabývá směrem ke spodním vrstvám na rozsahu a ve směru nahoru se zase zmenšuje. Příklad k objasnění komunikace pomocí spolupráce vrstev. Jsou dáni dva filozofové F1, F2. F1 sedí ve slonovinové věži v Africe a druhý F2 sedí ve věži v Indonésii.. F1 Mluví pouze svahilsky, F2 jen telugu. Přesto chtějí komunikovat. Jak to provést? Nejprve budou najmuti dva překladatalé P1 a P2. Dále je potřeba dva techniky, T1 a T2. Komunikace proběhne následovně: F1 vymyslí myšlenku, formuluje ji a předá přes rozhraní překladateli P1, ten tuto myšlenku přeloží do společné cílové řeč, např. angličtiny. P1 neumí zacházet s technikou a obrátí se proto s důvěrou na T1. Ten naváže fyzické spojení se svým kolegou T2, např. rádiem telefonem nebo elektronickou poštou. T2 předá obdrženou zprávu P2, ten ji přeloží to delugu a předá ji dále F2. Obrácená cesta je podobná. Máme tři vrstvy (vrstvu filozofů, vrstvu překladatelů, vrstvu techniků). Vertikální komunikace probíhá formou požadavků. V horizontální komunikaci je to společná cílová řeč. Příklad popisuje tyto body: o Každý účastník vnímá komunikaci jako horizontální. o Skutečná komunikace je s vyjimkou vrstvy 1 vertikální. o Filozofové mohou měnit témata od smyslu života až po břišní tance, aniž by se to dotklo jiných vrstev. o Tři protokoly vrstev jsou až na rozhraní na sobě téměř zcela nezávislé. o Překladatalé mohou změnit společnou řeč z angličtiny na francouzštinu. o Technici mohou použít místo telefonu morseovku.
- 58 o Každá vrstva zpravidla přidá svoje kontrolní a jiné informace, které vrstva odpovídající opět odstraní. 10.3. Model TCP/IP Pro komunikaci v síti Internet je protokol TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol). Byl vyvinut Ministerstvem obrany USA k účelům americké armády, ale vzhledem ke své kvalitě je dnes používán téměř všeobecně a stal se významným standardem. Protokol je soubor pravidel pro komunikaci mezi počítači. Informace se po Internetu šíří po malých částech částech zvaných pakety (1 packet = 1500 B). Každý paket se chová jako samostatná zásilka a snaží se dostat k příjemci jakýmkoli způsobem. Pokud vypadne nějaká linka na cestě k adresátovi, packet doputuje jinou cestou, i kdyby měl kvůli tomu obletět celý svět (i to se stává). Packet obsahuje adresu odesílatele i adresáta. Každý počítač je označen jedinečnou IP adresou, která je jedinečná v celém Internetu. IP adresa je dvaatřiceti bitové číslo umožňující 232 kombinací (tj. 4 294 967 296). Pro snadnější zapamatování se IP adresa neuvádí jako sekvence jedniček a nul, ale jako posloupnost čtyř dekadických čísel oddělených tečkami (například 212.80.76.18 je www.seznam.cz, 62.84.131.156 je www.centrum.cz). Jednotlivá čísla mohou být v rozsahu O-255. Pokud se k Internetu připojujeme přes modem (vytáčenou linkou) je přidělena pokaždé jiná IP adresa a ta se nazývá dynamická IP adresa. Pro převod IP adres na praktičtější a snáze zapamatovatelné doménové adresy (například www.atlas.cz) slouží převodník – DNS server (Domain Name Server). Adresy www stránek se převádí na IP adresy, které jsou doplněny automaticky. Jinak se do okna prohlížeče může psát jen IP adresa. Výhodou je že na jednu IP adresu je možno zaregistrovat libovolné množství domén. TCP/IP
HTTP SMTP TCP IP
FTP
Telnet UDP ICMP ARP
Aplikační vrstva Transportní vrstva Síťová + fyzická + spojová vrstva
Obr. 10.3 Model TCP/IP
IP – Internet Protocol – definuje základní přenosovou jednotku pro přenos dat v Internetu, tzv. datagram (paket doplněný o IP havičku). Provádí směrování datagramů. ICMP – Internet Control Message Protocol – zajišťuje přenos služebních informací. Předává chybové zprávy původnímu odesílateli dadagramu. ARP – Adres Resolution Protocol – definuje získání fyzické adresy počítače při znalosti IP adresy. TCP – Transmission Control Protocol – umožňuje potvrzovaný a spolehlivý přenos zpráv. Data rozděluje na části a správné přijetí každé části je potvrzováno zprávou. UDP – User Datagram Protokol – zprostředkovává přenos zpráv mezi komunikujícími procesy. Umí rozlišit více adresátů uvnitř jednoho PC, kteří jsou označeni tzv. porty. Příjemcem zprávy není počítač ale proces (běžící program). HTTP – (Hypertext Transfer Protokol) umožňuje přístup ke službě (stránkám) www. SMTP – přenos poštovních zpráv E-mail FTP – slouží k přenosu souborů (File Transfer Protocol) Telnet – aplikace pro vzdálený terminálový přístup na server
- 59 -
11.
Viry & antiviry
11.1. Dělení virů Virus – nejznámější skupina kódů fungujících na počítači bez vědomí uživatele. Dokáže sám sebe klonovat a vložit do dalších programů. K aktivaci viru dojde spuštěním nakaženého programu. Ke spuštění destruktivní činnosti viru nemusí dojít při každé aktivaci; může být vázáno na určité datum, na počet startů nakaženého programu nebo jakkoli jinak. Červ – šíří se mezi počítači podobně jako virus, nevkládá se ovšem do jiných programů, ale do samostatných souborů. Spuštění takových souborů je obvykle zajištěno hned při aktivaci procesů zajišťujících start počítače. Makrovirus – zvláštní skupina virů, která se rozvíjela spolu s kancelářskými balíky. Možnost vytváření a spouštění uživatelem definovaných instrukcí – maker byla živnou půdou pro tvůrce virů, které se šířily právě jako makra v nejrůznějších dokumentech. Trojský kůň – na rozdíl od ostatních virů uživatel ví, že tento program spouští, ale neví o jeho skrytých funkcích. Funguje jako užitečný program, vedle toho však provádí další činnosti, o kterých uživatel nemá ani tušení. Nedokáže se sám šířit mezi počítači, takže je rozšiřován uživateli, kteří si ho mezi sebou kopírují. Hoax vlastně není virem. Je to jen poplašná zpráva, která však svými důsledky může být stejně nebezpečná jako virus. Funguje od řetězových dopisů štěstí, které jen zatěžují vaši schránku, až po varování na výskyt viru s výzvou ke smazání řádných součástí operačního systému. •
• • • • • • • • • • • •
11.2. Pravidla antivirové ochrany Pravidelně a včas aktualizujte svoje antivirové programy abyste mohli dokonale provádět kontrolu souborů, je nutné mít nejnovější aktualizaci používaného antivirového programu. Tyto aktualizace jsou přístupné na Internetu, nebo je některé časopisy zaměřené na výpočetní techniku vydávají na přiloženém CD. Měli byste vědět, kdo všechno používá váš počítač. Instalujte včas a všechny záplaty, především na operační systém a internetový prohlížeč. Prověřujte všechna přenosná média, včetně CD a flash disků. Nikdy neotvírejte přílohy e-mailů, které jste po odesílateli nechtěli. Nevěřte žádnému přijatému souboru – jakýkoli soubor může být zavirován, nebo může být virem. To není žádné strašení, je to vymoženost moderní techniky. Pokud váš známý nepoužívá antivir, mohou jeho dokumenty obsahovat makroviry. Každý nový soubor, především stažený z Internetu, důkladně prověřte. Každou přílohu zkontrolujte antivirovým programem před spuštěním uloženého souboru je rozumné provést jeho kontrolu antivirovým programem. Nespouštějte nic přímo z e-mailu – je dobré uložit si všechny přijaté přílohy do připraveného adresáře. Již při ukládání souboru může rezidentní štít antiviru zachytit nebezpečný soubor. Používejte více způsobů antivirové ochrany. Pravidelně zálohujte. V případě virové nákazy nepodléhejte panice. Pro komunikaci používejte bezpečné formáty – omezíte tím riziko šíření virů. Hlavní představitelé nebezpečných příloh jsou EXE, COM, PIF, SCR a VBS, za velice rizikové se považují DOC XLS (mohou obsahovat makra). Mezi bezpečné formáty patří např. TXT a RTF.
- 60 •
Firewall - Ohnivá zeď, jak je někdy programům z kategorie firewall podle doslovného překladu přezdíváno, dokáží na základě nastavených parametrů filtrovat síťový přenos. V obou směrech. Díky filtrování a blokování síťového přenosu představují ohnivé zdi ideální prostředek pro boj s viry využívajícími bezpečnostních chyb.
Obr. 11.1 Pravděpodobnost virové nákazy (zdroje), viry
11.3. Některé parametry antivirových programů Rezidentní skener (monitor) – běží stále za provozu počítače kontroluje přístupy k vybraným souborům. Nerezidentní skener – spouští se na přímý příkaz obsluhy například test vyměnitelného média) nebo na základě určitého plánu. Heuristická analýza – rozbor kódu. Hledají se postupy typické pro činnost virů. Jestliže je heuristika špatně „nastavená“, může hlásit mnoho falešných poplachů. Některé antiviry využívají heuristiku i pro kontrolu maker. Karanténa (virový trezor) – na disku je vytvořen prostor (adresář), kam je možné přesunout napadený soubor v takovém tvaru, aby se v něm obsažený virus nemohl aktivovat. Toho lze využít například u důležitých souborů napadených virem, které současná verze antiviru neumí léčit. Jestliže nová verze antiviru bude schopná soubor vyléčit, bude možné na soubor v karanténě spustit léčbu. Kontrola integrity – při prvním spuštění antivirového testu se provede detailní kontrola souborů. Základní informace se zapíší do databáze. Při další kontrole se provede porovnání skutečného stavu se stavem v databázi a pouze u rozdílných výsledků nebo nových souborů se provede nová detailní kontrola. Kontrola elektronické pošty – možnost spolupráce antiviru se správci pošty. Léčení – některé soubory napadené virem lze vyléčit, záleží ale na způsobu napadení. Záchranné diskety – většinou při instalaci nebo na základě příkazu bývá možné vytvořit tzv. záchranou disketu, na kterou se zkopírují důležité systémové oblasti disku. Aktualizace z Internetu – většina antivirů má možnost automaticky stahovat nové aktualizace přímo z Internetu. Cena – cena antivirových programů se pohybuje přibližně od 200 do 1 900 Kč. Některé se ale dají pořídit pro domácí použití zdarma. http://computer.cpress.cz Computer 04/2002, 02/2003 Kaspersky Labs (www.kaspersky.com), Panda Software (www.pandasoftware.com), McAfee (www.mcafee.com), Dr. Web Antivirus family (www.sald.com), F-Secure (www.f-secure.com), Fire Antivirus (www.fireav.com), AntiVir (www.free-av.com), Cybersoft (www.cyber.com), Symantec (www.symantec.com), Trend Micro (www.trendmicro.com), GeCAD Software (www.gecadsoftware.com), Grisoft Software (www.grisoft.cz), PCS software (software.pcs.cz) AEC (www.aec.cz), Alwil Software (www.asw.cz), DNS (www.dns.cz), Eset (www.eset.sk), www.antispam.cz
- 61 -
Závěr Rozsah práce plně pokrývá požadavky výuky a nastiňuje studentovi možnosti výpočetní techniky. Snažil jsem se vkládat do textu obrázky pro lepší orientaci a názornost. Každý obrázek má velkou vypovídací schopnost. Rychlý vývoj v oblasti informačních technologií stírá novinky a velmi rychle je zařazuje do běžného života. Proto lze bez nadsázky říci, že některé informace zde uvedené, nebudou platné za krátký čas. Tento fenomén má za následek, že takováto publikace musí být stále doplňována a vlastně svým způsobem „živá“, aby mohla být aktuální. Zároveň pociťuji, že některé kapitoly bude třeba ještě rozšířit o nové novinky a témata.
Použitá literatura a prameny [1] Doc. Ing. Pavel Beneš, CSc, a kol. Automatizace a automatizační technika 3, Cpress 2000 [2] Jaroslav Horák, Milan Keršláger Počítačové sítě pro začínající správce, Cpress 2001 [3] www.seagate.com [4] Časopis Computer, http://computer.cpress.cz, ročník 2001, 2002, 2003 [5]
- 62 5 základních provozních hledisek skříní Podkladem pro volbu řešení přístrojové skříně je rozsah použití přístroje, provozní podmínky, specifické požadavky – zákaznické i promítání výsledků elektrické konstrukce. 1. Konstrukční a mechanické požadavky. Skříň musí odolávat mechanickému namáhání v souladu s jeho používáním. Svým konstrukčním řešením musí chránit vestavěné komponenty před vnějšími vlivy (např. před znečištěním prachem nebo mechanickým poškozením), jak při provozu v běžných podmínkách, tak při dopravě a skladování. 2. Chlazení. Přirozené proudění vzduchu přes větrací otvory v plášti (dolních, horních či bočních stěnách) je možné u skříní, které jsou umístěny v prostoru, který proudění nebrání a umožňuje odvedení veškerého nežádoucího tepla. Dnes ale při velkých ztrátových výkonech, omezené zástavbě, kumulovaných sestavách přístrojů se musí umístnit přídavné chladící prvky – profilované chladiče, využití nuceného vzduchového chlazení (ventilátory), případně kapalinové nebo termoelektrické chlazení. Konstrukce každého toweru je koncipována tak, že studený vzduch nasávaný nejlépe z jednoho místa ve spodní části skříně (zespodu nebo zepředu) se ohřívá od všech komponent počítače, stoupá vzhůru a je usměrněn do zdroje, kde je tato cirkulace pomocí ventilátoru zrychlena pro lepší chlazení. Samozřejmě můžeme cirkulaci zlepšit přidáním dalších ventilátorů. Nejlépe však ve funkci vysavače – je totiž ověřeno, že nasávací ventilátory mají při chlazení třetinovou účinnost proti odsávacím. 3. Elektromagnetická kompatibilita. Počítače, které jsou zdroji elektromagnetického vyzařování a navíc jsou samy jeho účinky ovlivňovány, vyžadují od přístrojové skříně stínící účinky. Pro nízké kmitočty se proto jako konstrukčního materiálu používají magnety z měkké oceli, jinak především kvůli hmotnosti hliníkové slitiny. Při požadavcích na vysokofrekvenční stínění musí být zajištěno vodivé propojení všech dílů, krytů, přičemž nepřípustná je nevodivá povrchová ochrana v místech styku, výskyt větracích otvorů s rozměry srovnatelnými s vlnovou délkou. Nelze-li docílit požadovaných stínících účinků pouze provedením přístrojové skříně, řeší se další doplňkové stínění v rámci vnitřní zástavby. 4. Estetické hledisko. Dnes se již naštěstí věnuje vzhledové stránce skříní (tvarovému i barevnému řešení) velká pozornost, zejména z hlediska provozních a konkurenčních důvodů. Profesionálně přísluší řešení do oboru průmyslového designu. Výsledek práce designerů se ale mnohdy bohužel nesetkává s přáním zákazníků. Naštěstí se doba mění, a tak v tomto ohledu vidím budoucnost spíše růžově. 5. Doba provozu. Počítač by měl být schopen pracovat při stanovených podmínkách a přípustné zátěži bez přerušení po neurčitou dobu, přičemž toto hledisko je důležitější v oblasti serverů než samotných osobních počítačů.
Rozlišení 640 x 480 800 x 600 1024 x 768 1280 x 1024 1600 x 1200
4 bity 16 barev 256 kB x x x x
8 bitů 256 barev 512 kB 512 kB 1 2 2
16 bitů 24 bitů 32 bitů 65536 barev 16,7 mil barev 4294967296 1 1 2 1 2 2 2 4 4 4 4 6 4 6 8
Tabulka 2 - Porovnání možností rozlišení obrazu podle videopaměti grafické karty
Ergonomie práce
- 63 -
Comp3/2003 Autorské právo a zákon na ochranu dat http://computer.cpress.cz Computer 15-16/2003 str8 Firewall je jedním z prostředků boje proti virovým nákazám Comp 2/03 Ohnivé zdi, jak je někdy programům z kategorie firewall podle doslovného překladu přezdíváno, dokáží na základě nastavených parametrů filtrovat síťový přenos. V obou směrech. Díky filtrování a blokování síťového přenosu představují ohnivé zdi ideální prostředek pro boj s viry využívajícími bezpečnostních chyb. Tedy přesněji bezpečnostních chyb souvisejících se síťovými technologiemi. Viry se již dávno nešíří pouze svázáním s .exe soubory či uložením do boot sektoru na disketě. Takovým virům můžete vcelku úspěšně čelit opatrností a kontrolou před použitím programu nebo diskety. Aktivní viry pronikající do počítače po síti jsou ovšem mnohem zákeřnější. Příkladem aktivně se šířícího viru prostřednictvím sítě může být I-Worm/Opas, který využívá chybu v kontrole hesla při přístupu ke sdíleným prostředkům. Mimo jiné vyhledává počítače v lokální síti a pokouší se je infikovat. Podobně se pokouší nakazit počítače na náhodně vybraných IP adresách. Správným bezpečnostním řešením může být například instalace příslušné opravy operačního systému. Jenže je zde několik ale. Bezpečnostní záplata nemusí být k dispozici tak rychle, jak byste potřebovali. Záplata nemusí být stoprocentně správná. Můžete mít problém s jejím získáním. Instalace vám může poškodit operační systém – v krajních případech se i toto může stát. Navíc, antivirový program vám pomůže až po vlastní nákaze. Naštěstí firewall může zabránit tomu, aby k ní vůbec došlo. Správně nastavený firewall dokáže odhalit pokus o průnik do vašeho počítače a zablokovat přístup viru k požadovaným sdíleným prostředkům. Jinými slovy, vir je zastaven ještě dříve, než se dostává k možnosti použít své zbraně průniku do cizího počítače. Ohnivá zeď nemusí mít žádné informace o tom, že se jedná o vir. Pokus o průnik je identifikován stejně, jako třeba pokus hackera. To je zdánlivě nedůležité přirovnání. Ve skutečnosti je ale velmi důležité – říká nám, že firewall dokáže aktivně zabránit útokům nových virů. Tedy pochopitelně jen těch virů, na které může reagovat v rámci síťového přenosu. Jedinou podmínkou je správné nastavení, které naneštěstí nemusí být jednoduché.
- 64 Rozhodnete-li se pro využívání některé z ohnivých zdí, musíte stejně jako u libovolného dalšího programu vyřešit otázku, jaký program zvolit. Jedná se o rozhodování vcelku složité, protože na trhu existuje celá řada lepších i horších produktů, které jsou k dispozici zdarma i za velké poplatky. Některé operační systémy navíc nabízí vestavěný firewall. A výběr může být klíčový – chyba se může snadno vymstít během prvních pár minut provozu. Aktivní síťové viry se šíří velmi rychle. Jednodušší varianta ohnivé zdi bývá občas k dispozici také jako součást antivirového programu. Nemusí se přitom automaticky jednat o špatný produkt, svými možnostmi někteří zástupci této kategorie překonají i středně kvalitní firewall. Problém obvykle nastává ve chvíli, kdy na počítači již nějaký firewall používáte. Různé programy této kategorie se špatně snášejí, a tak se může instalace antivirového programu stylem „Další … Další … Další …“ stát pěkně škaredou noční můrou. Naštěstí ve většině antivirů této kategorie není instalace vestavěné ohnivé zdi podmínkou, a můžete se tak dále spoléhat na vámi oblíbený firewall. Omylem bývá představa, že firewall není nutný v případě, kdy pro připojení k Internetu používáte komutovanou linku. Viry využívající síťových chyb většinou prohledávají také náhodné rozsahy IP adres. Při použití telefonního přístupu k Internetu, a obvykle tedy i dynamického přidělování adres, je vaše aktuální adresa známá a během dne velmi často dostupná. Může se tak snadno stát terčem cíleného útoku. Používání ohnivé zdi s sebou přináší nejen výhody, ale také určitá rizika. Jde především o nebezpečné podlehnutí klamu, že jste za vodou a že vám nic nehrozí. Firewall musí být především správně nastaven a v mnoha případech tomu tak bohužel nebývá. Zejména méně zkušení uživatelé na každou otázku programu této kategorie zpanikaří a odpoví kladně (povolí přístup) tehdy, kdy mají odpovědět záporně, a naopak. Snadno se tak může stát, že na tom budete ještě hůře než bez použití ohnivé zdi. Nicméně podobná – i když ne virová – rizika hrozí u každého složitějšího programu. Naštěstí stačí trochu pozornosti, znalostí a přirozené inteligence. Někteří uživatelé si určitě říkají, že používání ohnivé zdi je složité a že ji vlastně nepotřebují. Mají přece antivirový program. Bohužel antivirový program nestačí. Pokud nedojde k instalaci záplat operačního systému nebo k jinému zablokování bezpečnostní chyby, může se stát, že při příštím připojení k lokální síti nebo Internetu bude počítač opět nakažen. Antiviry v tomto případě dokáží léčit, nikoli nákaze zabránit. Ani za použití rezidentní ochrany. Existují pochopitelně výjimky potvrzující pravidlo. Ohnivé zdi prochází stejně jako libovolné další programy vývojem a zdokonaleními. Také ony mohou obsahovat chyby, které je třeba odstranit. Je tedy nutné i při používání tohoto typu programu sledovat aktualizace a bez větších odkladů je na používaný firewall aplikovat. Obvykle je to jednodušší a bezpečnější, než v případě aktualizací operačního systému. Na závěr připomínám, že firewall ani kvalitní antivirový program pro úspěšnou ochranu proti počítačovým virům nestačí. Antivirová ochrana je souborem celé řady programů a pravidel. Firewall je jen jedním zástupcem těchto prostředků. Jeho použití tedy není podmínkou dostatečnou, ale jen podmínkou vhodnou. Nebo chcete-li, podmínkou nutnou. www.kerio.com, www.symantec.com, www.mcafee.com, www.nai.com, www.zonelabs.com
- 65 -
- 66 -
- 67 -
